量子幽灵，也被称为量子纠缠，是量子力学中的一个重要概念，指的是两个或多个量子系统之间的一种绝妙的联系。这种联系是非常特殊和奇妙的，因为当其中一个量子系统发生变化时，另一个量子系统也会立即发生相应的变化，即使它们之间相隔遥远，也会出现这种变化。这种现象被称为“非局部性”，并且是与经典物理学完全不同的。
量子幽灵首次被引入量子力学中是由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的。他们提出了一个思想实验，就是两个粒子在相互作用后，会形成一个幽灵粒子，它们之间的信息无论距离有多远，都是瞬间传递的。这个思想实验实际上是用来质疑量子力学的一些基本假设的，但是随后的实验证明了这一现象的存在。
SPAD探测器实现3D量子鬼成像
近日，研究人员报告了通过量子鬼成像获得的第一个3D测量结果。这项新技术能够在单光子水平上进行3D成像，从而为任何测量提供最低的光子剂量。
德国弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像开发研究所和卡尔斯鲁厄理工学院的研究员Carsten Pitsch表示，单光子3D成像可用于各种生物医学应用，如眼部护理诊断。它可以应用于对光敏感的图像材料和组织，也可以应用于暴露在光下有毒的药物，而不会造成任何损坏。
在Optica出版集团的期刊《 应用光学》中，研究人员描述了他们的新方法，该方法采用了新型单光子雪崩二极管(SPAD)阵列探测器。他们应用了称为异步检测的新成像方案，通过量子鬼成像执行3D成像。Pitsch说：“异步检测对于军事或安全应用也可能有用，因为它可以用于在不被发现的情况下进行观察，同时还可以减少过度照明、湍流和散射的影响。我们还想研究它在高光谱成像中的应用，这可以允许在使用非常低的光子剂量的情况下同时记录多个光谱区域。这对生物分析非常有用。”
量子鬼成使用纠缠光子对创建图像，其中光子对中只有一个成员与物体相互作用。然后使用每个光子的检测时间来识别纠缠对，从而可以重建图像。这种方法不仅允许在极低的光照水平下成像，而且意味着被成像的物体不必与用于成像的光子相互作用。
量子鬼成像装置如何实现3D成像？
以前的量子鬼成像装置无法进行3D成像，因为它们依赖于增强型电荷耦合器件(ICCD)相机。尽管这些相机具有良好的空间分辨率，但它们是时间选通的，并且不允许对单个光子进行独立的时间检测。
为了解决这个问题，研究人员开发了一种基于专为激光雷达和医学成像开发的新型单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的装置。这些探测器具有多个带有专用定时电路的独立像素，这使得它们能够以皮秒分辨率记录每个像素的探测时间。
新方法使用两个纠缠光子（信号光子和闲频光子）来获得单光子照明的3D图像。这涉及将闲置光子引导到物体上，然后及时检测反向散射光子。同时，信号光子被引导至专用相机，该相机在时间和空间上检测尽可能多的光子。研究人员随后将每个像素的检测时间与单像素检测器的检测时间进行比较，以重建纠缠。这也使他们能够确定相互作用的闲置光子的飞行时间，从而确定物体的深度。
另一个关键创新是用于产生纠缠光子的KTP晶体的周期性极化。Pitsch说：“这使得几乎任何三重态的泵浦信号闲频都可以进行高效的准相位匹配，并让我们可以自由选择照明和成像的波长。它还使我们能够将设置适应许多其他应用或波长。”
研究人员使用两种不同的独立设置展示了其异步检测方案的3D功能。其中一个类似于迈克尔逊干涉仪，使用两个空间上分离的臂获取图像。这种设置使研究人员能够分析SPAD性能并改进检测。另一种设置使用自由空间光学器件，更以应用为中心。不是用两个分开的手臂进行成像，而是对同一手臂中的两个物体进行成像。
量子纠缠在量子传感中的应用
量子幽灵的实际应用非常广泛，尤其是在量子信息科学中。例如，在量子通信中，利用量子幽灵可以实现安全的通信，因为窃听者无法获取被传输的信息。在量子计算机的研究中，量子幽灵也是实现量子并行计算的关键因素之一。长期以来，科学家们一直在探索这个现象的机制和应用，但仍有很多问题没有得到解答。此次这个发现具有重要的意义，不仅可以帮助我们更好地理解量子幽灵现象，还可以为量子通信和计算等领域的应用提供新的思路和技术手段。
在量子传感中，量子纠缠是一种强大的资源，它为高精度测量和传感提供了新的机会，量子纠缠是一种特殊的量子现象，其中两个或多个粒子之间的状态密切相关，无论它们之间的距离有多远。这种密切相关性使得测量一个粒子的状态可以提供关于其他粒子状态的信息，这一特性在传感应用中具有巨大潜力。
一种典型的量子传感应是基于量子纠缠的精密测量，通过利用量子纠缠的特性，科学家们可以实现比经典传感器更高精度的测量。例如，在光子学领域，双光子纠缠态可以用来测量非常微小的相位变化，这种纠缠态的特性使得可以测量光的相位变化，甚至可以测量到光的单光子级别的变化，这对于量子计量学和精密测量领域具有重要意义。
量子纠缠还可以用于提高传感器的灵敏度，在原子物理学中，量子纠缠可以用来提高原子钟的精度。原子钟是一种基于原子振荡频率的极精确的时间测量器，通过创建和利用纠缠态，科学家可以提高原子钟的稳定性和准确性，这对于导航、通信和科学实验等领域都具有重要意义。
此外，量子纠缠还可以在磁场测量中发挥关键作用，传统的磁力计通常受到热噪声和量子限制的限制，而量子纠缠可以减小这些限制，从而提高磁场测量的精度，这对于地质勘探、医学成像和材料研究等应用具有潜在的重要性。量子纠缠在量子传感中的应用提供了一个令人兴奋的前景，可以实现比传统传感技术更高精度和更灵敏的测量，这些应用对于科学研究和技术发展都具有重要意义，有望在未来引领新的科学和技术突破。
此次3D成像研究尽管还需要做更多的工作，但这两种设置都可以很好地作为新技术的概念验证演示。目前，研究人员目前正在与SPAD制造商合作，提高SPAD相机的空间分辨率和占空比（探测器开启的时间百分比）。他们还计划用最近推出的更快的自由空间耦合探测器取代光纤耦合闲频探测器。最后，他们计划将该装置应用于高光谱成像，该成像可用于在重要的中红外光谱中进行成像，而不需要在这些波长下工作的探测器。
文章来源： 量子梦科学头条，环形相遇