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我们许多人都知道全息（Holography）成像，又称全息投影、3d全息影像技术，它广泛应用在如我们的信用卡、护照上的安全图像、产品的防伪标签，它还有许多其它实际应用，包括数据存储、医学成像和安全防御等，可以应用于从X射线到无线电波、甚至是粒子（例如中子）的完整电磁光谱。现在，科学家首次找到了通过量子纠缠光子将信息编码为量子全息投影的方法。该研究结果论文，题为：“通过极化纠缠的量子全息术”，发表在今天的《自然-物理学》杂志上。什么是量子全息投影？要解释量子全息（quantumholography）成像技术，得从全息成像的原理简单说起。全息成像是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中包括如振幅、相位等全部消息的照相技术，物体反射或者透射的光线可以透过记录胶片完全重建，仿佛物体就在那里。透过不同的方位和角度观察照片，可以看到被拍摄的物体的不同的角度，从而可以给人以立体视觉。现在所使用的经典全息术通过将激光束分成两条路径来创建二维渲染的三维物体图像。一种称为物光束的光束的路径，通过照相机或特殊的全息胶片收集的反射光照亮全息照相的对象。称为参考光束的第二光束的路径从镜子直接反射到收集表面，而不会接触到对象。所有这些全息方法的关键特性是相干性（coherence），这是通过与参考光束干涉来提取相位信息所必需的。没有这个，全息照相是不可能的。全息图通过测量这两束光在相交处的相位差来创建。相位是摄体和被摄体光束的波混合并相互干扰的量，这一过程由称为“相干”的光的属性实现。量子全息成像技术为通过对一阶非相干和非偏振光束进行操作的全息成像方法，因此不是从经典干涉测量中提取相位信息。相反，全息信息被编码为光的纠缠态的二阶相干性。使用空间极化超纠缠光子对，科学家可以远程重建复杂物体的相位图像。信息被编码到纠缠态的偏振度中，从而能够通过动态相位无序成像，甚至在存在强古典噪声的情况下，与传统相干全息系统相比，其空间分辨率也得到了提高。除成像外，量子全息术还通过空间分辨的测量来量化分布的超纠缠模态，并应用于量子态表征。经典的全息术在光的方向、颜色和偏振方面还不错，但有局限性，例如来自不需要的光源的干扰以及对机械不稳定的强烈敏感性。该研究所开发的这一过程摆脱了经典相干的局限，将全息术带入了量子领域。使用纠缠光子提供了创建更清晰、更丰富的全息图的新方法，这为该技术的实际应用开辟了新的可能性。这些应用之一可能是在医学成像中，全息术已在显微镜中用于检查通常接近透明的精致样本的细节。这一新技术将可以创建更高分辨率、更低噪声的图像，可帮助揭示更为清晰的细胞细节，从而可进一步了解在细胞水平上的生物学功能。科学家是如何实现量子全息投影的？这个新型的量子全息照相工艺使用了分成两路的激光束，但与经典全息照相不同，激光束永远不会重新结合。取而代之的是，该过程利用了量子纠缠的独特特性，即爱因斯坦所称的“远距离的鬼魅动作”，即使光束被永远分开，它也可以收集构造全息图所需的相干信息。研究人员通过特殊的非线性晶体发出蓝色激光，该晶体将光束分成两部分，在过程中产生纠缠的光子。纠缠的光子是内在联系的，当作用于一个光子时，它的另一个伙伴也会受到影响，无论它们之间有多远，光子在行进方向和偏振方向上都纠缠在一起。然后，两条纠缠的光子流沿着不同的路径发送。一个光子流（相当于经典全息术中的目标光束）用于通过测量光子通过时的减速，来探测目标物体的厚度和偏振响应。光的波形在穿过物体时会发生不同程度的偏移，从而改变了光的相位。同时，缠结伴侣撞击了一个空间光调制器，相当于参考光束。空间光调制器是可以部分减慢通过它们的光速的光学设备。一旦光子通过了调制器，与探测目标物体的纠缠伴侣相比，它们的相位就不同了。在标准全息术中，两个路径然后将彼此叠加，并且它们之间的相位干扰程度将用于在相机上生成全息图。而在该量子全息术中，最引人注目的是，光子穿过各自的靶标后再也不会相互重叠。相反，因为光子纠缠为单个“非局部”粒子，所以每个光子分别经历的相移会同时由两者共享。干涉现象在远程发生，并且通过使用单独的百万像素数码相机测量纠缠的光子位置之间的相关性来获得全息图。最终，通过组合针对由两个光子之一上的空间光调制器，实现的四个不同全局相移而测量的四个全息图，从而获得高质量相位图像。量子全息投影的优越性近年来，在光学量子物理学中，有许多重大发现是使用简单的单像素传感器实现的，其优点是体积小、速度快且价格适中，但缺点是它们只能捕获非常有限的有关量子态的数据。纠缠过程中涉及的光子纠缠在一起，这将花费大量时间来捕获我们可以在单个图像中收集的细节级别。该最新研究使用的CCD传感器提供了前所未有的分辨率，每个纠缠光子的每个图像最多可容纳10,像素。这意味着可以测量其纠缠质量和光束中光子的数量，精确度极高。未来的量子计算机和量子通信网络，将至少需要有关它们将要使用的纠缠粒子的详细程度，这一通过量子纠缠光子将信息编码的量子全息摄影，将带来未来的、确实令人兴奋的成像技术革命。参考：Polarizationentanglement-enabledquantumholography,NaturePhysics().

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