3D显示 | 物理学家利用量子纠缠技术克服传统全息显示局限性

CINNO Research产业资讯，格拉斯哥大学研究人员近日报道，已成功使用量子力学性质克服了传统全息图的某些局限性。这篇发表于《自然物理学》的报道，详述了采用量子纠缠技术让两个光子变成单个“非局部粒子（Non-local Particle）”的新方法。在该方法中，一系列纠缠的光子对是制作改进版全息图的关键。

图1. 基于量子学纠缠光子技术制作的全息图有助于克服经典全息图的局限性，图片来源：Pavel Chukhov / Shutterstock.com

一般来说，经典的全息图是通过将一束光分成两束干涉光来制作的。该过程中，其中的一束光会射向要重建的物体，并反射到一架特殊的相机上。与此同时，第二束光束会直接照射到相机上。通过测量光的相位差异，我们可以重建出3D图像，这里的关键是两束光之间的相干性。

基于量子纠缠技术的全息图，其原理与经典全息图雷同，不过装置实施的方式却有很大的不同。这种技术首先将激光光束一分为二，但是这两束激光不会重新结合，这里的关键在于分光（Beam splitting）。整个过程如下图2所示，蓝色激光射向一个非线性晶体（Paired BBOs）后产生了两对由纠缠光子对构成的光束（Hyperentangled Photon Pairs）。

纠缠态在我们的宏观世界中是非常罕有的现象。纠缠的粒子是单个状态的一部分，所以无论这些纠缠粒子相距多远，更改其中之一就会对另一状态产生瞬时更改。具体到上述过程中，纠缠光子束之一穿过物体（Phase Object），而另一束则会穿过空间光调制器（Spatial Light Modulator）。

这两束纠缠光是分别用两个独立的百万像素摄像机测量的，由于量子力学的影响，它们的特性将以非常特定的方式改变，并最终获得四幅图像数据。接着，这四幅图像数据会合并进而重建出待重建对象的3D影像。

图2. 使用纠缠光子获得量子全息图的装置，图片来源：格拉斯哥大学

“经典的全息技术在光的方向，颜色和偏振方面做得非常聪明，但是它也有局限性，比如容易受杂散光的干扰以及对机械稳定性的敏感，” 这项工作的主要研究作者Hugo Defienne博士说道：“我们的研究工作将全息技术带入了量子领域，让传统全息技术摆脱了经典相干性的局限。这种使用纠缠光子性质制作更清晰，更丰富全息图的新方法，为全息技术的实际应用开辟了新的可能性。”

为了展示该全息技术，该小组通过实验重现了一系列液晶全息图，具体包括“ UofG”字母，透明胶带，硅油滴和鸟的羽毛等。除了当前全息技术所能实现的以外，该新型全息技术还可能在多个其他领域获得重要应用。

“这些应用之一可能是医学成像，实际上，该领域已经应用经典全息技术检查一些透明样本的细节。我们这种基于量子纠缠性质的全息技术可以实现更高分辨率和更低噪声的图像，这可以帮助医生观察到更精细的细胞细节，并帮助他们更多地了解细胞水平上的生物功能，” Defienne博士解释说。

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