3D顯示 | 物理學(xué)家利用量子糾纏技術(shù)克服傳統(tǒng)全息顯示局限性

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，格拉斯哥大學(xué)研究人員近日報道，已成功使用量子力學(xué)性質(zhì)克服了傳統(tǒng)全息圖的某些局限性。這篇發(fā)表于《自然物理學(xué)》的報道，詳述了采用量子糾纏技術(shù)讓兩個光子變成單個“非局部粒子（Non-localParticle）”的新方法。在該方法中，一系列糾纏的光子對是制作改進(jìn)版全息圖的關(guān)鍵。

圖1. 基于量子學(xué)糾纏光子技術(shù)制作的全息圖有助于克服經(jīng)典全息圖的局限性，圖片來源：Pavel Chukhov / Shutterstock.com

一般來說，經(jīng)典的全息圖是通過將一束光分成兩束干涉光來制作的。該過程中，其中的一束光會射向要重建的物體，并反射到一架特殊的相機(jī)上。與此同時，第二束光束會直接照射到相機(jī)上。通過測量光的相位差異，我們可以重建出3D圖像，這里的關(guān)鍵是兩束光之間的相干性?；诹孔蛹m纏技術(shù)的全息圖，其原理與經(jīng)典全息圖雷同，不過裝置實(shí)施的方式卻有很大的不同。這種技術(shù)首先將激光光束一分為二，但是這兩束激光不會重新結(jié)合，這里的關(guān)鍵在于分光（Beam splitting）。整個過程如下圖2所示，藍(lán)色激光射向一個非線性晶體（Paired BBOs）后產(chǎn)生了兩對由糾纏光子對構(gòu)成的光束（Hyperentangled Photon Pairs）。

糾纏態(tài)在我們的宏觀世界中是非常罕有的現(xiàn)象。糾纏的粒子是單個狀態(tài)的一部分，所以無論這些糾纏粒子相距多遠(yuǎn)，更改其中之一就會對另一狀態(tài)產(chǎn)生瞬時更改。具體到上述過程中，糾纏光子束之一穿過物體（Phase Object），而另一束則會穿過空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator）。

這兩束糾纏光是分別用兩個獨(dú)立的百萬像素攝像機(jī)測量的，由于量子力學(xué)的影響，它們的特性將以非常特定的方式改變，并最終獲得四幅圖像數(shù)據(jù)。接著，這四幅圖像數(shù)據(jù)會合并進(jìn)而重建出待重建對象的3D影像。

圖2. 使用糾纏光子獲得量子全息圖的裝置，圖片來源：格拉斯哥大學(xué)

“經(jīng)典的全息技術(shù)在光的方向，顏色和偏振方面做得非常聰明，但是它也有局限性，比如容易受雜散光的干擾以及對機(jī)械穩(wěn)定性的敏感，”這項工作的主要研究作者Hugo Defienne博士說道：“我們的研究工作將全息技術(shù)帶入了量子領(lǐng)域，讓傳統(tǒng)全息技術(shù)擺脫了經(jīng)典相干性的局限。這種使用糾纏光子性質(zhì)制作更清晰，更豐富全息圖的新方法，為全息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用開辟了新的可能性。”為了展示該全息技術(shù)，該小組通過實(shí)驗重現(xiàn)了一系列液晶全息圖，具體包括“ UofG”字母，透明膠帶，硅油滴和鳥的羽毛等。除了當(dāng)前全息技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的以外，該新型全息技術(shù)還可能在多個其他領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。“這些應(yīng)用之一可能是醫(yī)學(xué)成像，實(shí)際上，該領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用經(jīng)典全息技術(shù)檢查一些透明樣本的細(xì)節(jié)。我們這種基于量子糾纏性質(zhì)的全息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高分辨率和更低噪聲的圖像，這可以幫助醫(yī)生觀察到更精細(xì)的細(xì)胞細(xì)節(jié)，并幫助他們更多地了解細(xì)胞水平上的生物功能，” Defienne博士解釋說。