计算机科学  | 物理学 量子Quantum Entanglement纠缠首次实现波函数图像

作者：Robert Lea | 2023年9月1日

爱因斯坦曾将这一神秘现象描述为“"spooky action at a distance"幽灵般的超距作用”；

如今，研究人员已能将其呈现为两个纠缠光子之间的“波函数”。 量子物理学——这一描述宇宙微观尺度的科学领域——以其反直觉的现象而闻名；这些现象似乎挑战了我们在日常尺度下所熟知的一切物理定律。 在量子物理学的诸多特性中，恐怕没有哪一个比“纠缠”更令人惊奇或困惑了。所谓纠缠，是指两个粒子之间存在某种关联：其中一个粒子的状态发生改变，另一个粒子便会瞬间做出相应变化——即便这两个粒子身处宇宙的两端。正是这个“瞬间”二字，让Albert Einstein感到不安，并将其形容为“幽灵般的超距作用”。 这是因为爱因斯坦在构建狭义相对论时提出，宇宙中存在信息传递速度上限，即真空中的光速。而粒子间这种瞬时的相互作用，看起来似乎超越了光速。然而，尽管它显得如此“诡异”，但在该概念提出以来的约100年间，量子纠缠已被证实是宇宙中真实存在的一种现象。

一项新的研究进展将进一步巩固量子纠缠的“真实性”。来自渥太华大学和罗马大学（Sapienza University of Rome）的研究团队展示了一种创新技术，能够将一对纠缠光子（即光粒子）进行可视化呈现。更准确地说，科学家们所呈现出的——并在发表于《自然-光子学》（Nature Photonics）期刊的论文中所描述的——正是这一量子系统的“波函数”。 渥太华大学博士后研究员阿莱西奥·德里科（Alessio D’Errico）表示：“在我们所探讨的语境下，波函数是指对量子系统状态在空间分布上的详细描述。它包含了我们所能了解的关于该量子系统的全部信息。” “更准确地说，波函数使我们能够计算出任何测量结果出现的概率。 “以两个纠缠光子为例，掌握了波函数，我们就能确定以下概率：即同时在A点发现一个粒子，并在B点发现另一个粒子的概率是多少。”

研究团队发现，关于未知源的信息并未编码在两列叠加波的强度分布中，而是蕴含在“符合”（coincidence）事件的分布里。 “‘符合’图像向我们展示了光子对在同一时刻抵达探测器的位置，”D’Errico 补充道，“这项分析得益于一种新型相机技术——其中的每个像素不仅能记录探测到的事件数量，还能追踪这些事件的抵达时间，时间分辨率高达十亿分之一秒（即一纳秒）；这一精度足以捕捉到‘符合’（即同时抵达）的Photon光子。”

由此呈现出的这些Entangled Photon纠缠光子的波函数图像，酷似中国文化中的“阴阳”符号——该符号象征着事物间相互关联的力量。然而，这项研究的价值远不止于美学层面；它对于量子技术（例如依赖波函数和纠缠态运作的量子计算机）也具有深远的意义。

中国的“道”是真实存在的吗？

工作论文《量子力学中的阴阳二元性：哲学与科学分析》探讨了中国古代“阴阳”哲学与现代物理学（特别是量子力学）之间的联系。文中指出，诸如“波粒二象性”和“物质与反物质”等概念，与太極阴阳哲学中“对立统一、相互依存”的思想存在哲学层面的对应。在视觉层面，近期一些关于纠缠光子的实验所呈现出的形态与阴阳符号十分相似，暗示了某种象征性的关联。在理论层面，诸如“复值力学”（complex-valued mechanics）之类的理论框架提出，量子现象或许可以通过阴阳原则来解读——尽管这些构想尚处于发展阶段。此外，本文还提及了历史层面的影响，例如尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）曾使用过阴阳符号；例如原子時代的二元性 從哲學角度來看，人們在分析(Oppenheimer)奧本海默的一生及其創造原子彈這一事件時，常會運用“阴阳”概念（即認為各種力量相互依存，且各自內部都蘊含著其對立面的種子）。但同时也指出，这些联系大多属于哲学范畴，其科学有效性仍存争议。本文呼吁开展进一步研究，以架起东西方思想之间的桥梁。

(Image credit: Nature Pho

tonics, Zia et al.)