各位老铁们，大家好，今天由我来为大家分享量子干涉技术解析：清晰洞察宇宙星辰与生物分子的奥秘，以及的相关问题知识，希望对大家有所帮助。如果可以帮助到大家，还望关注收藏下本站，您的支持是我们最大的动力，谢谢大家了哈，下面我们开始吧！

对深邃夜空的探索伴随了人类文明数千年。儿时的童谣“一闪一闪，一闪一闪，满天都是小星星”陪伴着你我成长。人类在浩瀚的宇宙面前永远是好奇的孩子，想要通过星光解读宇宙亿万年来的秘密。

70 年前，射电天文学家将望远镜转向天狼星和其他几颗恒星……

01 看星星有个分辨率极限

当你听说天文学家使用的望远镜时，你一定认为它很强大。事实上，天文学家使用的望远镜在很多方面与我们的眼睛相似。我们每个人都有这样的经历：如果你在飞机上，第一次起飞时，看着地面上彼此靠近的两盏灯，你就能清楚地看到它们。当你飞得越来越高时，两道光就会出现在你的眼睛里。渐渐地，它们合而为一，变得难以区分。而且，距离越远，两盏灯距离越近，就越难看清楚。

如果你把你的眼睛想象成一个天文望远镜，把两盏灯想象成遥远的星星，你就能明白天文望远镜也有它的局限性，那就是分辨率限制。

分辨率极限是指光学仪器能够分辨的两个相邻物体之间距离的极限。存在这种极限的原因是由于光的衍射。当发光物体发光时，光并不能真正沿着几何意义上的直线运动。总是存在一定的发散角。随着光线传播得越来越远，光束发散得越来越大，到达眼睛。或者通过望远镜观察时，就变成了一定半径的衍射斑。科学家称其为“通风点”。如果两个发光物体彼此距离相对较近，并且光束射到眼睛或望远镜上，艾里斑就会重叠，从而难以区分两者。

02 Hanbury Brown - Twiss 干涉法

光带来的麻烦必须依靠光的特性来解决。 70年前仰望星空的两位射电天文学家R. Hanbury Brown和R. Q. Twiss想到了利用光的干涉来突破衍射引起的分辨率极限。

我们知道干涉和衍射都是波的性质。例如，我们可以听到障碍物后面的声音，很大程度上是由于声波的衍射。此外，波的干扰也很常见。细雨中的小池塘里，几滴雨滴激起的水波纹重叠交叉，形成新的波纹图案。 —— 振动有的地方加强，有的地方减弱。这就是水波的图案。至于光波，虽然它不是经典波，但我们在高中时都知道它也有类似的衍射和干涉。

与经典波的干涉类似，光波的干涉条纹也有一定的规律：哪里加强（变亮），哪里减弱（暗），明暗条纹的距离等，由下式决定三个变量：波长、发光物体（恒星）和胶片（望远镜）之间的距离，以及两个发光物体（恒星）之间的距离。

那么，看到这里，你一定像射电天文学家一样明白该怎么做了吧？固定光的波长和发光体（恒星）与胶片（望远镜）之间的距离，观察两束光的干涉条纹即可推断出两个发光体之间的距离。

03 量子波与经典波，合而不同

既然你也想到了这个方法，我们可以一起试试可行性。

光波是量子波。与经典的水波和声波相比，它们有一些显着的差异。光波如何干涉？要了解这一点，我们首先来看看量子力学中最著名的实验之一，——杨氏双缝干涉实验。

就其在量子力学中的地位而言，也许没有其他实验可以与杨氏双缝干涉实验相媲美。概率波的干涉和叠加在电子或光子的“克隆技艺”中奇迹般地展现在人们面前。随后的许多量子力学实验本质上都是杨氏双缝干涉实验的变体。

由于量子波是一种概率波，描述的是某个粒子出现在某个位置的概率幅度，所以所谓观察干涉条纹，实际上就是看背屏上检测到的粒子（电子或光子）的计数。计数高则亮；计数高则亮；计数高则亮。如果计数低，天就会黑。

当我们讨论杨氏双缝干涉实验时，很多人会不经意地忽略了其中一个最重要、最神奇的机制——，它就是最左边的第一个孔。在杨氏双缝干涉实验中，正是这个孔保证了两个缝发射的光子同源，即完全相同，完全相同到连上帝都无法区分。否则，无法清晰地形成干涉图案。与杨氏干涉一样，电子的双缝干涉实验也要求电子“同时”通过两条缝，在最后面的屏幕上形成干涉条纹。如果两束不相干的电子束分别通过两条狭缝，如果用一条缝发射，那么在背屏上只能看到两条缝后面对应位置的两条亮线。

因此，要使光子的干涉条纹清晰地形成，必须满足两个条件，——必须同时到达且不可区分。

同时到达这个条件就需要信号匹配技术。结果是事件数量大大减少，但这可以通过拼命积累数据来实现。

但要求光子不可区分是很困难的。区分不同光子最重要的依据是——频率，但谁能保证两个待观察物体的颜色完全相同呢？除非有一种技术可以改变光的频率而不改变其量子特性。

70年前达到这个地步简直是疯狂，但现在已经是2022年了。量子卫星已经发射，京沪干线已经建成，量子计算的优势已经显现。在不同频率下，光干涉的问题上，量子科学家或许有解决办法。

04 晶体+波导，转换频率的战斗机！

量子通信解决方案中，光纤传输和自由空间传输各占一半。对于光纤量子通信来说，变频是必须面对的问题。

因为，量子通信中有很多需要变频的情况。例如，量子通信中使用的光频率可能并不完全是探测器响应最佳的频段；自由空间中的信号频率在光纤中可能会遭受非常大的损耗；在使用量子中继的情况下，中继器可以存储并且发射波段可能无法连接到光纤；有时，自由空间量子通信甚至需要频率转换。例如，为了使量子通信在白天可用，它必须与阳光的频率错开。因此，变频是量子通信领域科学家的专长。

之所以能够实现这一点，实际上是由于20世纪60年代非线性光学的兴起。 1961年，红宝石激光器的二次谐波效应拉开了非线性光学精彩表演的序幕。此后，各路英雄轮番上阵，各种非线性光学技术和材料应运而生。其中，一种叫做铌酸锂的材料得到了广泛的应用。铌酸锂是一种具有双折射效应的负单轴晶体。它也是一种铁电体，具有较大的自发极化强度和非线性系数。

非线性光学过程的本质是光与物质的相互作用。我们经常使用的和频、倍频、差频过程都是非线性转换过程。在这个过程中，信号光逐渐减少，并转换成我们需要的总和。频率光、倍频光、差频光。

利用非线性晶体实现变频的核心是准相位匹配，即动量守恒，从而获得较高的转换效率。通常，使用周期性非线性晶体，如果参数合适，变频效率甚至可以接近1。

如果说铌酸锂是一种极其优秀的非线性材料，那么它与波导的结合就是绝配。科学家们周期性地极化铌酸锂晶体，然后在晶体中形成光波导结构。利用该方法形成了最佳变频器件——周期性极化铌酸锂波导。波导帮助其实现与光纤的友好连接，同时很好地约束光束。在波导的帮助下，周期性极化的铌酸锂晶体大大提高了其转换效率。单光子探测器具有周期性偏振的铌酸盐。锂波导的秘密武器是能够在量子通信领域大显身手。

05 小试牛刀

现在他们有了好的武器，科学家们准备尝试一下这种变频方法在汉伯里布朗-特威斯干涉方法中是否能有效。

实验中，科学家专门设计的周期性极化铌酸锂波导就像魔术师手中的神秘盒子。当1550nm光子进入时，一半概率转化为863nm光子，另一半概率保持不变；同样的，863nm的光子也有一半的概率被转换成1550nm的光子，另一半的概率保持不变。这样，当探测器看到一个光子时，它就没有办法区分这个频率是它的原始形式还是经过巧妙变换的。因此，经过这种相互变换，光子对于探测器来说变得无法区分。

结果符合预期。 2019年，中国科学技术大学的潘建伟、张强等人与麻省理工学院的Frank Wilczek合作，利用内置的颜色无关探测器搭建了双色强度干涉实验系统，实现了强度干涉1550nm和863nm光源，并在相干光源、热光源和空间实验中进行了验证，结果符合预期。实验结果表明，开启非线性器件后，干涉条纹清晰出现（图c中的红色曲线），但当非线性器件未开启时，干涉条纹不可见（图c中的蓝色曲线）。相关成果发表于《物理评论快报》[1]。

06 走出室内，走出波长的藩篱

在实验室完成验证后，科学家们想走出家门，验证这种干扰技术在户外自由空间中的工作原理。更重要的是，科学家希望解决一个更重要的问题：——对波长没有如此严格的限制。

根据之前的技术方法，我们可以发现，待观测光源的波长非常有限，待测量的两个光子的频率不能太接近。这是由“非线性晶体+波导”的技术路线决定的。

光子通过非线性晶体实现频率转换，通常通过和频（或差频）过程（和频生成，SFG）。之所以称为和频过程，是因为我们可以简单地认为：频率为1 的信号光，在频率为2 的泵浦光的加持下，穿过非线性晶体，得到一个频率为3 (=1+2) 的和频光。（如果是差频过程，则3=1-2，道理类似。）

可以想象，如果像以前那样将1550nm和863nm等波长（频率）相差很大的光源相互转换，很容易找到合适的泵浦光；而如果信号光的1与和频光的3非常接近，那么这意味着泵浦光的频率2非常小。此时，适合1和3的波导可能不适合2。存在技术限制。

为了解决这个问题，科学家们放弃了将1和3光相互转换的想法，而让1和3光经过一个非线性过程，将它们转换成相同频率的光子进行干涉。这样，两者就可以找到合适的泵浦光进行匹配，完美解决了观察波长的限制问题，大大拓宽了消色干涉法的应用范围。

此外，科学家们还突破了此前的空间限制，走出实验室，尝试看看能否在自由空间中观测到两个距离很近的遥远光源。

07 相位——空间分辨的信使

除了突破室内和波长限制之外，这个升级版本还面临另一个挑战：如果科学家想要看到光子——的全貌，他们需要通过检测和分析光子的相位信息来空间解析目标。

当谈到相位信息时，您可能往往会忽视它的重要性。例如，在一张平面照片中，我们的大脑如何判断物体的距离？无非是根据遮挡、大小等信息做出逻辑判断。例如，如果角色A挡住了角色B，我们认为A在前面，B在后面；如果对于同一棵树，A较大，B较小，我们认为A较近，B较远。如果没有这些信息，我们很难准确判断距离。

但全息图的情况并非如此。全息图不仅记录了光的频率和强度信息，还记录了光的相位信息。也就是说，当光线到达你的眼睛时，它就无形地告诉你它的来源。这样一来，物体的图像就三维地展现在我们面前，就像我们平时看到的真实物体一样。因此，加上相位信息，我们就可以不辜负来自远方的光子了。

在这个升级版的消色干涉实验中，科学家们把注意力集中在了相位上。如下图所示，在本次实验设计中，S1和S2是两个距离很近的远距离光源，TA和TB是用于观测的两台望远镜。光源和望远镜之间的相位信息会影响两个望远镜之间连接线上每个位置的相干程度。实验人员观察这条连接线上各个位置的干扰情况。经过测量、分析、计算，以相位信息为介质，可以得到光源的角距离，即两个光源之间的距离d与两个望远镜之间的距离x的比值。

在实际实验中，中国科学技术大学的潘建伟、张强与美国麻省理工学院的Frank Wilczek合作，利用济南所研制的周期偏振铌酸锂波导搭建了色彩擦除强度干涉仪。量子技术研究所，成功解析遥远的两个光源，相距1.43公里，相距4.2毫米，波长分别为1063.6和1064.4纳米，超过单个望远镜的衍射极限约40倍。它不仅突破了波长限制，而且获得了成像物体傅里叶变换的相位信息。相关成果近期发表于《物理评论快报》[2]。

这项技术的实现，不仅在于它最终实现了汉伯里·布朗和特维斯两位天文学前辈的计划，让人们终于看到两颗距离很近但颜色不同的恒星，还在于它拓展了天文学的极限。光学观察。要知道，想要看清楚“星星”的不仅仅是天文学家。对于许多生物学家来说，荧光小分子是他们眼中“最亮的星星”，但它们往往太小、太近而无法看清。他们也常常令人头痛。通过这种与颜色无关的强度干扰检测技术，生物学家还可以区分两种不同颜色的荧光分子。

未来，科学家们将继续降低系统内部的相位噪声，使系统更加精确和灵敏。如果与未来的高精度时频传输技术和望远镜阵列相结合，使用场景将大大扩展，无论是观测恒星、太空等碎片还是生物分子，都将展现出其独特性和不可替代性。

论文链接：