一種新型的量子全息技術利用糾纏光子來克服傳統全息方法的侷限性，將改善醫學成像，加速量子資訊科學的發展。

格拉斯哥大學的一個物理學家團隊是世界上第一個找到利用量子糾纏光子在全息圖中編碼資訊的方法的人。今天發表在《自然物理》雜誌上的一篇論文概述了這一突破背後的過程。

全息技術被許多人作為信用卡和護照上的安全影象而熟悉，但它還有許多其他的實際應用，包括資料儲存、醫學成像和防禦。

經典全息術是用一束鐳射分成兩條路徑來繪製三維物體的二維效果圖。其中一束光線的路徑，被稱為目標光束，用照相機或特殊的全息膠片收集的反射光照亮全息圖的主體。第二束光束的路徑，被稱為參考光束，從一面鏡子上直接反彈到收集表面，而不接觸物件。

全息圖是透過測量兩束光線相遇處的光相差來製作的。相位是主體和客體光束的波相互混合和干涉的量，這一過程是由一種被稱為“相干性”的光的特性實現的。

格拉斯哥研究組的新量子全息技術也使用了一束鐳射分成兩條路徑，但與經典全息術不同的是，光束永遠不會重新聚合。相反，這個過程利用了量子糾纏的獨特特性，即愛因斯坦著名的“遠距離幽靈行為”，來收集構造全息圖所需的相干資訊，即使光束永遠分離。

他們的過程從實驗室開始，用藍色鐳射照射一個特殊的非線性晶體，該晶體將光束一分為二，在這個過程中產生糾纏的光子。糾纏光子在本質上是相互關聯的——當一個代理作用於一個光子時，它的另一半也會受到影響，無論它們相距多遠。在研究過程中，光子不僅在運動方向上糾纏，而且在偏振上糾纏。

然後，兩束糾纏的光子沿著不同的路徑傳送。一個光子流——相當於經典全息術中的物體光束——透過測量光子透過目標物體時的減速來探測目標物體的厚度和偏振響應。光的波形在穿過物體時發生不同程度的偏移，從而改變了光的相位。

與此同時，它的糾纏夥伴會擊中一個空間光調製器，相當於參考光束。空間光調製器是一種能使透過它的光的速度稍微減慢的光學裝置。一旦光子透過調製器，它們與已經探測到目標物體的糾纏子有不同的相位。

在標準全息術中，兩條路徑將相互疊加，它們之間的相位干涉程度將用於在相機上生成全息圖。在該團隊的量子全息術中，最引人注目的一點是，光子在穿過各自的目標後，不會相互重疊。

相反，因為光子是作為一個單一的“非局域”粒子糾纏在一起的，每個光子單獨經歷的相移同時被兩個光子共享。

干擾現象在遠端發生，並且透過使用單獨的百萬畫素數碼相機測量糾纏的光子位置之間的相關性來獲得全息圖。最終，透過組合針對由兩個光子之一上的空間光調製器實現的四個不同全域性相移而測量的四個全息圖，最終獲得了物體的高質量相點陣圖像。

在該小組的實驗中，相圖是從諸如在液晶顯示器上程式設計的字母“ UofG”之類的人造物體重構而來，也從諸如透明膠帶，顯微鏡載玻片上的矽油滴和鳥羽之類的真實物體中重構而來。

格拉斯哥大學物理與天文學學院的Hugo Defienne博士是該論文的主要作者。德菲恩博士說：“經典的全息術在光的方向，顏色和偏振方面做得很聰明，但是它有侷限性，例如來自不需要的光源的干擾以及對機械不穩定的強烈敏感性。

“我們開發的過程使我們擺脫了傳統相干性的侷限，將全息術帶入了量子領域。使用糾纏光子提供了建立更清晰，更豐富的全息圖的新方法，這為該技術的實際應用開闢了新的可能性。

“這些應用之一可能是在醫學成像中，全息術已經在顯微鏡中用於檢查通常接近透明的精緻樣本的細節。我們的過程允許建立更高解析度，更低噪聲的影象，這可以幫助揭示更好的細胞細節，並幫助我們進一步瞭解生物學在細胞水平上的功能。”

格拉斯哥大學的教授Daniele Faccio領導了取得突破的小組，是該論文的合著者。

Faccio教授說：“對此真正令人興奮的部分是，我們找到了一種將百萬畫素數碼相機整合到檢測系統中的方法。

“近年來，在光學量子物理學中有許多重大發現是使用簡單的單畫素感測器實現的。它們的優點是體積小，速度快且價格適中，但缺點是它們只能捕獲非常有限的有關量子態的資料。糾纏過程中涉及的光子糾纏在一起，這將花費大量時間來捕獲我們可以在單個影象中收集的細節級別。

“我們使用的CCD感測器為我們提供了前所未有的解析度，每個糾纏光子的每個影象最多可容納10,000畫素。這意味著我們可以測量其糾纏質量和光束中光子的數量。精確度極高。

“未來的量子計算機和量子通訊網路將至少需要有關它們將要使用的糾纏粒子的詳細程度。這使我們在那些快速發展的領域中實現真正的階躍變化更近了一步。這確實令人興奮。突破，我們渴望透過進一步完善來取得成功。”

研究小組的論文標題為“極化糾纏啟用量子全息術”，發表在《自然物理學》上。