科学家成功观测双光子空间波函数动力学演化

记者19日从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队李传锋、许金时、刘曌地等人首次提出并实验实现了量子夏克–哈特曼波前传感器。通过重构双光子横向空间波函数，观测了位置纠缠光子对在自由空间传播时振幅关联和相位关联的动力学演化。该成果近日发表在国际期刊《物理评论快报》上。

光场相位分布的测量是一个关键问题，特别是在自适应光学中，可用来校正像差的影响。经典光学中，夏克–哈特曼波前传感是一种广泛使用的相位测量方法，它使用微透镜阵列，将光场在局部空间的传播方向转换为聚焦光斑的位移，从而测量得到光场相位梯度的分布，并重构出相位。其空间分辨率由透镜尺寸决定。研究团队受此启发，提出并实现了量子夏克–哈特曼波前传感器，观测到位置纠缠光子对空间波函数的动力学演化。双光子射入透镜阵列后，在其后焦面探测双光子的联合空间概率分布。通过对单个微透镜孔径内所有点的条件概率分布求和并利用梯度算法可以重构出相位，结合强度分布即可得到双光子空间波函数。研究团队测量了自发参量下转换产生的光子对在自由空间不同演化时间的空间波函数，观测到双光子在自由空间传播过程中振幅关联逐渐变弱，而相位关联逐渐变强的过程。研究组还测量了双光子在动量空间使用空间光调制器加载双曲抛物面相位后的波函数。

研究人员表示，该方法作为量子自适应光学这一全新领域的关键技术，在未来可应用于量子通信、天文观测和多光子相互作用的检验中。

（中国科学技术大学供图）