它支撐了整個(gè)量子力學(xué)領(lǐng)域。愛因斯坦曾將這一現(xiàn)象稱為“鬼魅般有時(shí)，兩個(gè)相互作用的粒子——比如兩個(gè)通過分束器的光子，無論被分隔到多么遙遠(yuǎn)，它們都可以保持聯(lián)系，并瞬間共享它們的物理狀態(tài)。這種神秘的聯(lián)系被稱為量子糾纏的超距作用”。

愛因斯坦之所以稱之為“鬼魅”，是因?yàn)閮蓚€(gè)相距甚遠(yuǎn)的糾纏粒子之間的相互作用所表現(xiàn)出的瞬時(shí)性，似乎與他的狹義相對(duì)論并不兼容。后來，約翰·貝爾（John Bell）正式提出了這種非局域相互作用的概念，描述了一種能展現(xiàn)這種鬼魅效應(yīng)的強(qiáng)糾纏形式——被稱為貝爾糾纏。一直以來，雖然貝爾糾纏在量子計(jì)算和密碼學(xué)等許多實(shí)際應(yīng)用中都得到了應(yīng)用，但我們從來沒有捕獲它的圖像。

一篇于7月12日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的論文中，格拉斯哥大學(xué)的一組物理學(xué)家描述了他們?nèi)绾巫屵@種“鬼魅現(xiàn)象”首次出現(xiàn)在圖像中，這是第一次捕捉到量子糾纏的視覺證據(jù)。

實(shí)驗(yàn)涉及到在4種不同的相變下捕捉光子的圖像，圖中所呈現(xiàn)的實(shí)際上是光子經(jīng)過了一系列的4個(gè)相變時(shí)所產(chǎn)生的多重圖像的結(jié)合。

他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)置如下圖所示），一個(gè)波長(zhǎng)為355納米的準(zhǔn)連續(xù)激光通過了一個(gè)BBO晶體（偏硼酸鋇晶體），從而通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）過程產(chǎn)生了在空間上糾纏的光子對(duì)。這兩個(gè)波長(zhǎng)為710納米的光子在一個(gè)分束器（BS）上分離，并沿著光學(xué)系統(tǒng)中的兩條不同的光路傳播。

實(shí)驗(yàn)人員設(shè)置了一個(gè)超靈敏的照相機(jī)，能夠檢測(cè)到單個(gè)光子，只有當(dāng)同時(shí)捕捉到一個(gè)光子和與它糾纏的另一個(gè)粒子時(shí)，照相機(jī)才會(huì)拍下照片，從而記錄下了一個(gè)可見的光子糾纏記錄。| 圖片來源：Moreau et al., Science Advances, 2019

第一個(gè)光子被放置于晶體的成像面上的空間光調(diào)制器（SLM）反射，并在被一個(gè)單模光纖收集之前，顯示出一個(gè)相位物體，然后在被光纖收集之后，再被一個(gè)單光子雪崩二極管（SPAD）探測(cè)到。另一個(gè)光子沿著另一條光路傳播，它被一個(gè)放置在晶體的傅里葉平面（相當(dāng)于物體的傅里葉平面）的SLM反射。然后，這個(gè)光子會(huì)通過一個(gè)長(zhǎng)約20米的延遲線（Delay line）傳播，最終被一個(gè)增強(qiáng)型電荷耦合檢測(cè)器（ICCD）相機(jī)檢測(cè)到。

ICCD相機(jī)會(huì)根據(jù)放置在第一條光路上的SPAD探測(cè)到光子的情況而被有條件地觸發(fā)的。而延遲線則確保了從ICCD相機(jī)所捕獲的圖像與SPAD檢測(cè)到的圖像是同步的。第二條光路中延遲線的存在彌補(bǔ)了相機(jī)的觸發(fā)延遲，并確保了第二個(gè)光子入射到相機(jī)上的時(shí)間的精確度，從而記錄下了一個(gè)可見的光子糾纏記錄。

物理學(xué)家Paul-Antoine Moreau是這篇論文的第一作者，他說：“我們成功捕捉到的這張照片，優(yōu)雅地展示了自然的一個(gè)基本屬性，這是這個(gè)屬性第一次以圖像的形式出現(xiàn)……這是一個(gè)令人興奮的結(jié)果，它將可以用于革新量子計(jì)算的新興領(lǐng)域，帶來新型的成像方法。”