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一般來說,經典的全息圖是透過將一束光分成兩束干涉光來製作的。該過程中,其中的一束光會射向要重建的物體,並反射到一架特殊的相機上。與此同時,第二束光束會直接照射到相機上。透過測量光的相位差異,我們可以重建出3D影象,這裡的關鍵是兩束光之間的相干性。

基於量子糾纏技術的全息圖,其原理與經典全息圖雷同,不過裝置實施的方式卻有很大的不同。這種技術首先將鐳射光束一分為二,但是這兩束鐳射不會重新結合,這裡的關鍵在於分光(Beam splitting)。整個過程如下圖2所示,藍色鐳射射向一個非線性晶體(Paired BBOs)後產生了兩對由糾纏光子對構成的光束(Hyperentangled Photon Pairs)。

糾纏態在我們的宏觀世界中是非常罕有的現象。糾纏的粒子是單個狀態的一部分,所以無論這些糾纏粒子相距多遠,更改其中之一就會對另一狀態產生瞬時更改。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製器(Spatial Light Modulator)。

這兩束糾纏光是分別用兩個獨立的百萬畫素攝像機測量的,由於量子力學的影響,它們的特性將以非常特定的方式改變,並最終獲得四幅影象資料。接著,這四幅影象資料會合並進而重建出待重建物件的3D影像。

“經典的全息技術在光的方向,顏色和偏振方面做得非常聰明,但是它也有侷限性,比如容易受雜散光的干擾以及對機械穩定性的敏感,” 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帶入了量子領域,讓傳統全息技術擺脫了經典相干性的侷限。這種使用糾纏光子性質製作更清晰,更豐富全息圖的新方法,為全息技術的實際應用開闢了新的可能性。”

為了展示該全息技術,該小組透過實驗重現了一系列液晶全息圖,具體包括“ UofG”字母,透明膠帶,矽油滴和鳥的羽毛等。除了當前全息技術所能實現的以外,該新型全息技術還可能在多個其他領域獲得重要應用。

“這些應用之一可能是醫學成像,實際上,該領域已經應用經典全息技術檢查一些透明樣本的細節。我們這種基於量子糾纏性質的全息技術可以實現更高解析度和更低噪聲的影象,這可以幫助醫生觀察到更精細的細胞細節,並幫助他們更多地瞭解細胞水平上的生物功能,” Defienne博士解釋說。

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