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曾几何时,全息图还只是存在于科幻小说中的奇思妙想,但随着激光的快速生长,这种手艺已逐渐成为众人瞩目的焦点,它不再只出现在科幻作品中,而是存在于生涯中的许多方面。现在,全息手艺已成了数据存储、生物显微镜、医学成像和医学诊断等应用的主要工具。例如在一种被称为全息显微术的手艺中,科学家会行使全息图来破译组织和活细胞中的生物机制。

这种神奇的光学手艺是由匈牙利裔英国物理学家Dennis Gabor于20世纪50年代初提出的,而Gabor也因此发现获得了1971年的诺贝尔物理学奖。

在经典的全息术中,这项手艺涉及到将一束激光分成两条路径来描绘三维物体的二维绘图。其中一条路径的光束被称为物光束,这束光用照相机或特殊的全息胶片网络到反射的光,来形成全息术中的像;第二条路径的光束被称为参考光束,它从一面镜子上直接反弹到网络面上。

对于经典的全息术来说,两道光束之间的过问是关键所在,而过问通常要求光是“相关的”,即它们必须在何时何地都拥有相同的频率。换句话说,光学相关性对任何全息历程都至关主要。作为一种高度相关的光,激光被用在大多数全息系统中。然而,这种方式虽然在光的偏向、颜色和偏振方面可以有着异常好的显示,但也有着显而易见的局限性,好比可能会受到其他光源的滋扰,且对外部物理环境的不稳定性异常敏感。

现在,格拉斯哥大学的一个物理学家团队找到了一种绕过这些传统局限来缔造全息图的方式,为全息术带来了飞跃性的突破。他们将新的方式揭晓在了近期的《自然-物理》杂志上。

在传统全息术中,我们以为光首先必须过问才气发生全息图;其次,光必须相关才气过问。而在新的研究中,物理学家正是以为第二点“并不完全正确”才得以做出了突破。在新的方式中,他们同样用到了一束被分成两条路径的激光,但与之前差别的是,这两道光束永远不会重新聚合,他们行使的是一种被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”的奇异特征――量子纠缠

纠缠的光子是由量子源以成对的粒子流的形式发射出来的光子,具有纠缠特征的光子在本质上是“毗邻”在一起的,即便它们可能划分位于空间中的两个相距甚远的位置。如此一来,两个纠缠的光子可以显示得像一个单一的物体那样,对其中的任何一个举行的丈量,都市影响到整个系统。

在新研究中,物理学家在实验室中使用了一束蓝色激光,他们将这束激光照射在一个特殊的非线性晶体上,激光通过晶体后会分裂成两列光束,且在这个历程中发生纠缠光子。纠缠的光子不仅在运动偏向上纠缠,而且在偏振上也是纠缠的。

每一对纠缠光子会被离开送往两个差别的偏向,一个光子被发送到一个物体上,例如一个有着生物样本的显微镜载玻片上,当它与物体发生撞击时,光子就会稍微偏离一点或放慢一点,它相当于传统全息术中的物光束。

与此同时,与它纠缠的光子会击中一个空间光调制器,这个空间光调制器能使通过它的光的速率稍微减慢。一旦这个光子通过了调制器,它就与和它成对的纠缠光子有了差别的相位。这个相当于传统全息术中的参考光束。

在纠缠光子对穿过了各自的目的后,它们不会相互重叠。光子的波的性子使它们不仅能在被击中的位置探测到物体的厚度,同时能丈量整个物体的厚度。如此一来,样品的厚度、三维结构等信息,就会被“印”在光子上。而由于光子是纠缠的,因此印在一个光子上的印记可以同时被两个光子共享。然后,过问现象就可以在远距离发生,整个历程不需要涉及光束的叠加。这时,通过使用自力的照相机来丈量两个纠缠光子的位置相关性,就能最终获得一个全息图。

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用纠缠光子天生全息图的历程。| 图片泉源:格拉斯哥大学

在实验中,研究人员重修出了一些真实物体(如透明胶带、显微镜载玻片上的硅油滴、羽毛)的全息图像,以及一个在液晶显示器上缔造出的“UofG”字样的全息图像。

新的量子全息方式的最令人惊叹的地方在于,即使是相距甚远的、从未发生过相互作用的光子,也可以由于量子纠缠的存在而发生过问现象。它具有十分现实的应用优势,好比它能提供更好的稳定性,由于量子纠缠是一种固有特征,这种特征对外部环境的滋扰不那么敏感。

这样的突破性发现或许能改善医学成像、加速量子信息科学的生长。行使新的全息术,科学家或许可以制造出比现有显微镜手艺质量更好的生物图像,从而有望被用来解开以前从未被观察到的细胞内的生物结构和机制。

#创作团队:

文:小雨

图:雯雯子

#参考泉源:

https://www.gla.ac.uk/news/headline_771889_en.html

https://theconversation.com/quantum-leap-how-we-discovered-a-new-way-to-create-a-hologram-155056

#图片泉源

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