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纠缠光子拍出“薛定谔猫”悖论照片

2014年08月29日07:55    来源:科技日报    手机看新闻
由未通过拍摄目标的光子拍摄的镂空猫图案。
由未通过拍摄目标的光子拍摄的镂空猫图案。

 

    科技日报讯 (记者常丽君)最近,奥地利物理学家设计出一种新奇方法,无需光与拍摄目标相互作用,利用量子效应也能拍出照片。这听起来似乎颠覆了传统物理的成像原理,他们用一个镂空的猫图案进行了实验,虽不是一张同时“要死要活”的猫照片,却是粒子能同时处于两种状态的证明。相关论文发表在8月28日的《自然》杂志上。

    据自然网站8月27日报道,量子成像要用成对光子,也就是纠缠的“孪生光子”,其中一个光子的量子态会与另一个连在一起。一个光子以某种概率可能地通过拍摄目标,另一个则进入探测仪。但进入探测仪的光子却“知道”它孪生兄弟的命运,研究人员就是根据它“知道”的情况构建出图像来。

    通常人们要收集从物体上反射来的光子才能拍照,该研究负责人、奥地利科学院物理学家安东·泽林杰说:“现在,你第一次不用这么做了。”这种技术的一个优点就是,两个光子的能量不一定要相同,这意味着接触目标的光与检测信息用的光可以有颜色差异。比如,一个量子成像仪可以发射低能光子通过微量生物样本,而用可见光波段的光子和传统照相机来拍照。

    泽林杰和同事在1991年提出了这项技术的理论,实验系统包含把每个光子转变为一对纠缠光子的晶体,让每个光子有两条飞行路径,但只有一条路径通过拍摄目标。

    论文合著者、奥地利科学院的伽布里拉·莱默斯说,按照量子力学法则,如果不对光子通过了哪条路进行检测,它实际上相当于通过了两条路,在每条路上同时产生一个光子对。在第一条路径上,光子对中的一个光子通过了拍摄目标,而另一个没有。那个通过目标的光子会与另一个“概率自己”——也就是可能选择了第二条路径而没有通过目标的光子——重新结合,然后继续飞开;其余从第二条路径通过的光子也会与它第一条路径上的自己重新结合,然后直接进入摄像机,摄像机就利用这些光子来构建图像,虽然这些光子从未与拍摄目标相互作用过。

    研究人员拍了一张几毫米宽的镂空猫图样,还有几张蚀刻在硅片上的其他图样。他们用摄像机无法检测到的光波长来探测到了图形。“这一点非常重要,这是量子成像确实起作用的证据。”泽林杰说。

    泽林杰解释说,选择猫形是为了纪念薛定谔1935年提出的著名思想实验。他假设了一只猫在盒子里同时处于死活两种状态,因为没人知道盒子里的毒药是否释放。同样,在新实验中,没人知道光子选择了哪条路径,由此产生了光子对中那个走两条路而不通过目标的光子。

(责编:马丽、赵竹青)


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