Only Perception: 物理學家製造量子糾結「影像」

2008-06-15

物理學家製造量子糾結「影像」

Physicists produce quantum-entangled images
http://www.physorg.com/news132500362.html

June 12, 2008

利用一種便利且彈性的方法來創造出攣生光束，在 NIST 的 Joint Quantum Institute 以及 Maryland 大學的研究者製造出「量子影像」 --一對富含資訊的視覺圖案，具有「（量子）糾結（entangled）」的特色。除了承諾更好的模糊（faint）物體偵測與改良過的擴大以及光束的精確定位之外，研究者用來產生量子影像的技術 -- 它的簡單、多用途與效率都是空前的 -- 也許有朝一日對於將資料儲存在量子電腦中以及傳輸大量的高度安全加密資訊將十分有用。這個研究團隊，由 JQI 的 Paul Lett 領導，在 6/12 的 Science Express 上描述這項研究。

"影像總是一種受偏好的通訊方式，因為它們在其細節中攜帶這麼多的資訊，" Vincent Boyer，這篇論文的領導作者。"然而，到目前為止相機與其他光學偵測器都在影像中大量忽略了許多有用的資訊。透過利用影像的量子力學觀點，從改善難以見到物體的拍攝到儲存資料到未來的量子電腦，這些應用我們都能夠改善。"

傳統攝影底片或數位相機感應器只記錄擊中其表面的顏色與光波強度。全像術（hologram）則額外記錄了光波的「相位」-- 一個波當中，波峰與波谷的精確位置。然而，有更多事在光波中發生。甚至連最穩定的雷射光束都會隨著時間隨機地明亮或暗淡，因為如同量子力學所顯示，光在其特色中天生就有不確定性，在其特性中轉瞬間波動就以表露無遺。控制這些波動 -- 那代表著某種「雜訊」-- 能改善模糊物體的偵測，產生更好的增強影像，並讓研究者更精確地定位雷射光束。

量子力學已揭露光不可避免的雜訊，不過也提供了一種減少它的微妙方式，用以評估比物理學家昔日想像過的可能性還要更低的東西。研究者不能夠完全消除雜訊，不過他們能重新安排它以改善影像中想要的特徵。

一種量子力學技術稱為「壓縮（squeezing）」，讓物理學家在增加某個互補特性（complementary property）雜訊的情況下，減少某種特性的雜訊 -- 例如強度。現代物理學不僅使得有用的雜訊減少成為可能，還能為影像開展新的應用 -- 例如傳送量子力學法則所保護的大量加密資料與完成量子電腦的資訊平行處理。

或許最顯著的是，這些由研究者所產生的量子影像是成對誕生的。由來自於同一點的二道光束所傳輸，這二個影像猶如誕生時分離的雙胞胎。觀察一個量子影像，而它顯示出隨機且不可預料的變換（changes over）時間。觀察另一個影響，而它也在同一時間展現出相當類似的隨機波動，即使這二個影像遠離且無法傳送資訊到另一個亦然。它們是「糾結的」 -- 它們的特性以這樣的方式聯繫起來，以致於它們的存在是一體的，而非個別的。此外，它們還受到壓縮：使二個量子影像相配並減去它們的波動，它們的雜訊低於 -- 而且它們的資訊含量潛在地高於 -- 來自任二個古典的影像的雜訊。

為了要創造量子影像，研究者使用一種簡單卻強大的方法，稱為「四波混合（four-wave mixing）」，其中進來的光波進入某種氣體並交互作用以產生出去的光波。在此步驟中，一道模糊的「探針」光束通過一個油印蠟紙般的、具有視覺圖案的「遮罩」。銘印一個影像後，探針光束結合一道強烈的、位於銣氣小室內部的「幫浦」光束。此氣體的原子與光起交互作用，吸收了能量並重新發射原本影像的「加強版」。此外，一個與之互補的第二個影像由原子所發射的光線所創造。為了滿足「讓出去的那一組光束與進來的那一組光束具有相同能量與動量」這種自然的要求，第二個影像以第一個影像反轉的、上下顛倒的拷貝離開（與幫浦光束差了 180 度），同時顏色稍微有點不同。

實驗中的一項突破是，每個影像以多達 100 個有明顯區別的區域製成，有點類似組成一個數位影像的像素，每一個都有它自己獨立的光學與雜訊特性。一個影像上的像素與另一個影像上的像素合夥。觀察二個無關的像素 -- 例如一個像素在第一個影像的第一列上，另一個則在第二個影像的第一列上（譯註：它們是上下顛倒的影像） -- 它們顯然會進行它們自己隨機的事。但如果是二個糾結的像素 -- 第一個影像左上角的像素與第二個影像右下角的像素 -- 它們隨著時間的隨機波動恐怖地相似 -- 只是起先看了一下，一個像素就能與測第二個像素中的許多特性。

"製造糾結的量子影像相當惹人矚目，不過使我們印象最深刻的是，製造它們的技術比之前的嘗試更加簡單，" Lett 說。

先前在製造量子影像的戮力，受限於以「光子計數（photon counting）」來建構它們 -- 在很長的一段時間中每次收集一個光子，或者有很特別的「影像」，例如某種只能以點或環構成的東西。相較之下，這種新方法一次就能產生整個影像，而且能製造出各種形狀的影像。此外，這些早期的成果很難去實作 -- 某些步驟需要讓光線來來回回地在緊密控制的、精確間隔的鏡子間反射。相較下，這種四波混合方法只需要簡單的雷射光以及銣蒸汽小室就能搞定。

研究者下一個目標是要以減慢速度的光來製造量子影像；這種減緩速度的影像能用於資訊儲存與處理，以及通訊應用。

※ 相關報導：

＊ Entangled Images from Four-Wave Mixing
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1158275