探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年1月，發(fā)表在《物理評(píng)論快刊》上的一項(xiàng)研究給出了一個(gè)顛覆性的答案：用量子糾纏來(lái)“作弊”。美國(guó)亞利桑那大學(xué)、馬里蘭大學(xué)和NASA戈達(dá)德太空飛行中心的研究團(tuán)隊(duì)證明，通過(guò)預(yù)共享糾纏態(tài)，可以讓相距遙遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡在不搬運(yùn)光信號(hào)的情況下，實(shí)現(xiàn)甚至超越傳統(tǒng)干涉儀的成像精度。簡(jiǎn)單說(shuō)，他們找到了用量子態(tài)代替物理光路的方法。

但到了可見(jiàn)光波段，情況變得棘手?？梢?jiàn)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)比射電波短，對(duì)光程差的控制精度要求高到離譜。更關(guān)鍵的是，要把相距遙遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡收集的光通過(guò)光纖或反射鏡送到同一個(gè)地方，光在傳輸過(guò)程中的損耗幾乎是不可避免的。

那怎么辦？Guha博士和他的團(tuán)隊(duì)想到了量子糾纏。糾纏態(tài)的神奇之處在于，兩個(gè)粒子無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，它們的狀態(tài)都是關(guān)聯(lián)的。這種“幽靈般的超距作用”正好可以用來(lái)替代物理上的光束合并。

具體來(lái)說(shuō)，每個(gè)望遠(yuǎn)鏡站點(diǎn)不僅接收星光，還預(yù)先保存了一對(duì)糾纏粒子中的一個(gè)。通過(guò)對(duì)本地光子和糾纏光子進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，就能間接實(shí)現(xiàn)兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的干涉，而無(wú)需把星光搬運(yùn)到同一個(gè)地方。這就像兩個(gè)人分別拿到一張拼圖的兩半，雖然沒(méi)見(jiàn)面，卻知道彼此手里拿的是什么圖案。

要實(shí)現(xiàn)這種量子增強(qiáng)成像，光有糾纏還不夠，還得對(duì)光本身做一番改造。傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡直接把光聚焦到探測(cè)器上成像，但這種方法受衍射極限的限制，兩個(gè)靠得太近的光源根本分不開(kāi)。

研究團(tuán)隊(duì)引入了一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：空間模式分解。你可以把空間模式想象成光場(chǎng)的各種“姿勢(shì)”——有的光是均勻分布，有的是左右不對(duì)稱，有的是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。普通探測(cè)器只是把所有這些姿勢(shì)混在一起記錄下來(lái)，而空間模式分解器則像一臺(tái)篩子，把不同“姿勢(shì)”的光分開(kāi)，分別送到不同的探測(cè)器里。

這種做法的好處是，它能提取出傳統(tǒng)成像丟失掉的精細(xì)信息。即便兩個(gè)光源的角間距小于衍射極限，它們?cè)诳臻g模式上的差異依然存在。通過(guò)分析這些模式，就可以突破所謂的“瑞利極限”，看到原本不可分辨的細(xì)節(jié)。

這項(xiàng)研究目前的理論驗(yàn)證是針對(duì)最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景：兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)兩顆靠得很近的恒星。通過(guò)計(jì)算他們發(fā)現(xiàn)，這種量子增強(qiáng)方案能夠以最高精度估計(jì)出兩顆星的角間距。

但這只是第一步。Guha博士在接受采訪時(shí)提到，這套方法可以推廣到更多望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用場(chǎng)景也遠(yuǎn)不止測(cè)量星距。從定位星團(tuán)、探測(cè)系外行星，到空間目標(biāo)識(shí)別、甚至監(jiān)測(cè)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，都有它的用武之地。

特別值得關(guān)注的是它對(duì)系外行星直接成像的意義。系外行星通常緊挨著比它亮幾億倍的母星，常規(guī)手段很難把它從母星的眩光中分離出來(lái)。光學(xué)長(zhǎng)基線干涉如果配上量子增強(qiáng)，理論上可以在600納米波長(zhǎng)、100公里基線下實(shí)現(xiàn)1.24微角秒的分辨率。這意味著，未來(lái)我們不僅能看到系外行星的光點(diǎn)，甚至可能看清它大氣層里的天氣變化。

回到國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)家在量子成像領(lǐng)域的布局其實(shí)相當(dāng)活躍，只是技術(shù)路線各有側(cè)重。

2025年9月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐金華、李傳鋒團(tuán)隊(duì)在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于雙光子波前傳感的研究。他們提出了一種基于位置關(guān)聯(lián)雙光子的Shack-Hartmann波前傳感方法，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量畸變波前，為未來(lái)的量子自適應(yīng)成像打下了基礎(chǔ)。這套方法有望用于量子顯微鏡和遠(yuǎn)程成像，解決傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法觸及的像差測(cè)量問(wèn)題。

同月，大連理工大學(xué)曹暾?qǐng)F(tuán)隊(duì)在《科學(xué)進(jìn)展》上報(bào)道了一種低成本、抗噪聲的單像素量子成像系統(tǒng)。他們利用旋轉(zhuǎn)掩模和循環(huán)哈達(dá)瑪編碼，配合單光子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了在極暗、極冷和高噪聲環(huán)境下的清晰成像。這對(duì)深空探測(cè)和低溫物理等極端條件下的應(yīng)用有重要意義。

2026年1月，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院鄧海嘯、張開(kāi)慶團(tuán)隊(duì)在太赫茲原子傳感方面取得系列突破。他們利用里德堡態(tài)銫原子實(shí)現(xiàn)了6000幀/秒的超高幀率太赫茲成像，靈敏度達(dá)到單光子量級(jí)，還把成像視場(chǎng)從毫米級(jí)擴(kuò)展到了50毫米×50毫米。這套系統(tǒng)已經(jīng)在液體混合監(jiān)測(cè)中展示出應(yīng)用潛力。

理論走在前面，實(shí)驗(yàn)也沒(méi)落下。2025年9月，哈佛大學(xué)Lukin課題組在arXiv上發(fā)布了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他們利用金剛石硅空位中心實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程量子存儲(chǔ)器之間的糾纏，并演示了糾纏輔助的差分相位測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)站點(diǎn)之間的光纖鏈路達(dá)到了1.55公里，成功驗(yàn)證了這種遠(yuǎn)程干涉協(xié)議的可行性。

到那時(shí)，看清系外行星的表面、追蹤黑洞周圍恒星的相對(duì)論進(jìn)動(dòng)、甚至測(cè)量月球和地球之間的微小距離變化，都將成為現(xiàn)實(shí)。而這一切的基礎(chǔ)，就是我們今天正在討論的這個(gè)“小把戲”——用量子糾纏，讓望遠(yuǎn)鏡學(xué)會(huì)心靈感應(yīng)。