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  • 利用五个原子,改进了鬼影成像,还能进行量子力学的基本验证

    在传统成像方法中,一束光子(或其他粒子)被反射到要成像的物体上。光束到达探测器后,收集到的信息被用来创建照片或其他类型图像。在另一种成像技术“鬼影成像”(ghost imaging)中,这个过程的工作原理略有不同:图像是根据从从未与物体实际交互光束中检测到的信息重建。鬼影成像的关键是使用两个或多个相关粒子束。当一束光与物体相互作用时,第二束光被检测出来并用于重建图像。

    利用五个原子,改进了鬼影成像,还能进行量子力学的基本验证

    即使第二束光从未与物体相互作用,被探测到第一束光的唯一方面是单独探测器上每个光子的到达时间,但由于两束光是相互关联的,因此可以完全重建出物体的图像。虽然在鬼影成像中通常使用两束光,但新研究已经证明了高阶相关关系,即三束、四束或五束之间的相关性。高阶鬼影成像可以提高图像的可视性,但其缺点是高阶相关事件的检测概率较低,导致分辨率较低。在一篇新论文中,来自堪培拉澳大利亚国立大学的一组物理学家在高阶鬼影成像方面取得了两项新成就:

    利用五个原子,改进了鬼影成像,还能进行量子力学的基本验证

    第一次展示了高阶鬼影成像中含有大量粒子(他们使用超冷氦原子),第一次展示了高阶鬼影成像中使用量子源相关光束。作为量子源,研究人员使用了两种碰撞的玻色-爱因斯坦凝聚体,是冷却到接近绝对零度的原子簇。

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    在如此寒冷的温度下,玻色-爱因斯坦凝聚体中的原子聚集在一起,表现得像一个巨大的原子。研究人员利用五个氦原子之间的相互关系进行了实验。证明,在一定条件下,量子源的大质量粒子高阶鬼影成像可以在不影响分辨率的情况下提高图像可见性。

    利用五个原子,改进了鬼影成像,还能进行量子力学的基本验证

    澳大利亚国立大学物理学家、论文第一作者肖恩·霍奇曼说:我认为,这项研究的最大意义主要在于能够证明,这样一项具有挑战性的实验是可能的。在一个量子源中有非常少的多粒子相关事件,这就是为什么它之前没有被光学证明的部分原因,这意味着即使经过了成千上万次的实验运行,也只有很少的事件可以用来重建幽灵图像。演示的改进对于需要高可视性,但容易损坏的应用程序尤其有益,这是因为这项技术有可能降低剂量率。

    利用五个原子,改进了鬼影成像,还能进行量子力学的基本验证

    从而减少对样品的潜在辐射损伤,其中一个应用是原子鬼光刻,原子鬼光刻技术将和普通原子光刻技术一样,但是使用相关光束可以实时监控光刻过程。高阶关联将通过允许具有相同信号质量的低通量来改善鬼影光刻技术,这一点很重要,因为高通量对样品有损坏的风险。随着进一步研究,高阶量子鬼影成像也可以用来进行量子力学的基本测试,比如证明多个原子之间的纠缠,或者在一个相关脉络中,使用三个或更多粒子来测量贝尔不等式。

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