研究人員利用先進的相機技術即時可視化兩個糾纏光子的波函數，開創了一種迅速有效重建糾纏粒子完整量子態的技術。這種創新方法比以往的方法快了數倍，只需幾分鐘或幾秒鐘，而不是幾天，並有望透過增強量子態表徵、量子通訊和量子成像技術來推動量子技術的發展。

一項基於先進照相技術的新技術展示了一種快速且有效率地重建糾纏粒子完整量子態的方法。

渥太華大學的研究人員與羅馬薩皮恩扎大學的達尼洛-齊亞（Danilo Zia）和法比奧-斯基亞裡諾（Fabio Sciarrino）合作，最近展示了一種新技術，能夠即時可視化兩個糾纏光子（構成光的基本粒子）的波函數。

用一雙鞋作比喻，糾纏的概念可以比喻成隨機選擇一隻鞋。當你辨認出一隻鞋子的那一刻，另一隻鞋子的性質（是左鞋還是右鞋）就會立刻被分辨出來，而不管它在宇宙中的位置如何。然而，耐人尋味的是，在觀察的確切時刻之前，與識別過程相關的固有不確定性。

波函數是量子力學的核心原理，它提供了對粒子量子態的全面理解。例如，在鞋子的例子中，鞋子的”波函數”可以攜帶左右、大小、顏色等資訊。更精確地說，波函數能讓量子科學家預測量子實體進行各種測量的可能結果，如位置、速度等。

照片（從左到右）： Alessio D’Errico 博士、Ebrahim Karimi 博士和Nazanin Dehghan。圖片來源：渥太華大學

這種預測能力非常寶貴，尤其是在快速發展的量子技術領域，了解量子電腦產生或輸入的量子態，將使我們能夠測試電腦本身。此外，量子計算中使用的量子態極為複雜，涉及許多可能表現出強烈非局部相關性（糾纏）的實體。

了解這樣一個量子系統的波函數是一項極具挑戰性的任務–這也被稱為量子態層析成像或量子層析成像。採用標準方法（基於所謂的投影運算）進行全面層析需要大量測量，而測量次數會隨著系統複雜度（維度）的增加而迅速增加。

該研究小組先前用這種方法進行的實驗表明，表徵或測量兩個糾纏光子的高維度量子態可能需要幾個小時甚至幾天的時間。此外，結果的品質對噪音非常敏感，並取決於實驗裝置的複雜程度。

量子層析成像的投影測量方法可以理解為觀察從獨立方向投射到不同牆壁上的高維度物體的影子。研究人員所能看到的只是這些陰影，而從這些陰影中，他們可以推斷出整個物體的形狀（狀態）。例如，在CT 掃描（電腦斷層掃描）中，可以從一組二維影像中重建三維物體的資訊。

不過，在經典光學中，還有另一種重建三維物體的方法。這種方法被稱為數位全像術，其基礎是透過將物體散射的光與參考光進行干涉而獲得的單幅影像，即乾涉圖。

由加拿大結構量子波研究主席、渥太華量子技術聯合研究所（NexQT）聯合主任、理學院副教授Ebrahim Karimi 領導的研究小組將這一概念擴展到了雙光子的情況。重構雙光子態需要將其與假定的眾所周知的量子態疊加，然後分析兩個光子同時到達的位置的空間分佈。對同時到達的兩個光子進行成像被稱為巧合成像。這些光子可能來自參考源，也可能來自未知源。量子力學指出，光子的來源無法確定。這就產生了一種干涉模式，可用來重建未知波函數。先進的照相機能以奈秒（1,000,000,000 秒）的分辨率記錄每個像素上的事件，使這項實驗成為可能。

論文共同作者之一、渥太華大學博士後 Alessio D’Errico 博士強調了這一創新方法的巨大優勢： “這種方法比以前的技術快了數倍，只需要幾分鐘或幾秒鐘，而不是幾天。重要的是，檢測時間不受系統複雜性的影響–這是解決投影層析成像中長期存在的可擴展性難題的一種方法。”

這項研究的影響不僅限於學術界。它有可能加速量子技術的進步，如改進量子態表徵、量子通訊和開發新的量子成像技術。