前段時(shí)間,一則關(guān)于量子糾纏產(chǎn)生“太極”圖案的新聞在網(wǎng)絡(luò)上廣泛傳播。這個(gè)“太極”圖案源自于《自然·光子學(xué)》的一篇論文。
(論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01272-3)
但網(wǎng)上有些人未經(jīng)真相的探究,便稱(chēng)“量子糾纏意外呈現(xiàn)太極圖,科學(xué)的盡頭是玄學(xué)”云云。
其實(shí),這個(gè)“太極圖”是實(shí)驗(yàn)中人為制造出來(lái)的。
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揭穿“太極圖”謠言的關(guān)鍵:一束人工調(diào)制成陰陽(yáng)形狀的泵浦光
這篇論文的題目翻譯為中文是“空間雙光子態(tài)的振幅和相位干涉成像”。這里的“雙光子態(tài)”就是一個(gè)“量子糾纏態(tài)”。論文的作者來(lái)自于意大利羅馬大學(xué)和加拿大渥太華大學(xué)。根據(jù)論文摘要,可知研究人員在實(shí)驗(yàn)上大幅提高了對(duì)雙光子態(tài)做全息成像的效率。
《空間雙光子態(tài)的振幅和相位干涉成像》論文摘要(圖片來(lái)源:論文截圖)
引起廣泛傳播的“太極”圖,就是這篇論文的圖6。我們把圖6截取下來(lái),并把關(guān)鍵信息標(biāo)黃。這條關(guān)鍵信息是:一束自帶陰陽(yáng)形狀的泵浦光(見(jiàn)小圖)。
因此,輸入的泵浦光(pump beam)本身就帶著圖6a右上方小圖的形狀,圖6a就是參考光和泵浦光各自產(chǎn)生的SPDC態(tài)的干涉圖,圖6b就是通過(guò)a的干涉圖重構(gòu)出泵浦光的形狀。
SPDC全稱(chēng)是spontaneous parametric down-conversion(自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換),讀起來(lái)有些繞口,這里只需知道,它是實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生雙光子量子糾纏的主要方法,具體為一束頻率相對(duì)高的泵浦光打在一個(gè)非線性晶體上,不斷產(chǎn)生一對(duì)對(duì)糾纏光子。
由于動(dòng)量守恒和能量守恒的要求,產(chǎn)生的一對(duì)光子的能量和泵浦光一個(gè)光子的能量相等(其中單個(gè)光子的能量就是泵浦光一個(gè)光子的一半,因此稱(chēng)為下轉(zhuǎn)換),一對(duì)光子總的動(dòng)量和角動(dòng)量也和泵浦光一個(gè)光子的相等,這樣一對(duì)光子就形成了一個(gè)量子糾纏態(tài),即路徑和偏振方向(自旋角動(dòng)量)的處于糾纏狀態(tài)。
《空間雙光子態(tài)的振幅和相位干涉成像》的圖6就是網(wǎng)傳所謂的“太極圖”(圖片來(lái)源:論文截圖)
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如何產(chǎn)生“一束自帶陰陽(yáng)形狀的泵浦光”?
接下來(lái)我們看看“一束自帶陰陽(yáng)形狀的泵浦光”是怎么產(chǎn)生的。
這篇論文的圖2描繪了實(shí)驗(yàn)裝置。圖2a就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的光路圖,其中綠色的BBO晶體就是SPDC過(guò)程所需要的非線性晶體。紫色的光束就是泵浦光,紅色光束就是糾纏的雙光子,通過(guò)分束器打在兩個(gè)單光子相機(jī)上。
圖片來(lái)源:論文截圖
我們注意標(biāo)黃的文字:泵浦光的形狀是由一個(gè)紫外的空間光調(diào)制器(UV-SLM)生成的。即圖中最左邊的SLM決定了泵浦光的形狀,因?yàn)楸闷止馐?05nm波長(zhǎng),所以需要紫外的SLM來(lái)調(diào)制它。也就是說(shuō),圖6的陰陽(yáng)太極圖形狀根本原因是SLM把泵浦光(波前)設(shè)置成了陰陽(yáng)太極圖形狀。
SLM全稱(chēng)是spatial light modulator,即空間光調(diào)制器。它是一種新型的光調(diào)制器件,由多個(gè)像素在空間上排列成二維陣列,每個(gè)像素都可以獨(dú)立地接收電信號(hào)控制,并按此信號(hào)改變自身的光學(xué)性質(zhì),從而對(duì)照在其上的光(波前)進(jìn)行調(diào)制。通常的SLM是液晶式的,即利用液晶材料的電光效應(yīng),在計(jì)算機(jī)編程控制下,通過(guò)改變液晶分子的排列方式來(lái)改變光束的偏振態(tài)、相位和強(qiáng)度。例如通過(guò)透射率調(diào)制光的強(qiáng)度,通過(guò)折射率調(diào)制光的相位,通過(guò)偏振面的旋轉(zhuǎn)調(diào)制偏振態(tài)等等。
也就是說(shuō),我們通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入給SLM一個(gè)陰陽(yáng)太極圖,它就把光調(diào)制成一個(gè)陰陽(yáng)太極圖案的二維分布。如果我們給SLM輸入的是一只貓的圖案,那它就會(huì)把光調(diào)制成一只貓的形狀的二維分布;如果我們給SLM輸入的是一條狗的圖案,那它就會(huì)把光調(diào)制成一條狗的形狀的二維分布……不過(guò)由于SLM的像素比較少,復(fù)雜的圖案很難顯示。但太極圖這種陰陽(yáng)魚(yú)互相纏繞的圖案并不復(fù)雜,方便SLM把泵浦光調(diào)制出這個(gè)形狀,這也許是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)選擇太極圖的一個(gè)原因。
◆總結(jié)
在量子力學(xué)早期發(fā)展過(guò)程中,量子力學(xué)的“旗手”尼爾斯·玻爾曾經(jīng)使用太極圖的“陰陽(yáng)互補(bǔ)”將自己的“互補(bǔ)原理”可視化,這個(gè)淵源也可能是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)選擇太極圖調(diào)制泵浦光的另一個(gè)原因。但實(shí)際上,太極圖可以給所有的二元論思想做一個(gè)可視化,這是哲學(xué)上的事情,并不是物理上的事情。
總之,這個(gè)圖的來(lái)源就是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)使用SLM這個(gè)器件,把泵浦光的波前人為地調(diào)制成了陰陽(yáng)太極圖形狀。而泵浦光通過(guò)SPDC過(guò)程產(chǎn)生的雙光子經(jīng)過(guò)干涉,經(jīng)過(guò)該團(tuán)隊(duì)改進(jìn)的全息技術(shù),可以快速地把來(lái)自泵浦光的陰陽(yáng)太極形狀恢復(fù)出來(lái)。從頭到尾,太極圖都是人造的,和量子糾纏的本質(zhì)沒(méi)有任何關(guān)系。
作者:張文卓 中國(guó)科學(xué)院量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士,夸密量子創(chuàng)始人兼CEO,前中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)成員
審核:羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 研究員
出品:科普中國(guó)
監(jiān)制:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)(北京)數(shù)字傳媒有限公司