網(wǎng)傳量子糾纏產(chǎn)生“太極圖”，又玄學(xué)了嗎？真相是……

前段時(shí)間，一則關(guān)于量子糾纏產(chǎn)生“太極”圖案的新聞在網(wǎng)絡(luò)上廣泛傳播。這個(gè)“太極”圖案源自于《自然·光子學(xué)》的一篇論文。

（論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01272-3）

但網(wǎng)上有些人未經(jīng)真相的探究，便稱“量子糾纏意外呈現(xiàn)太極圖，科學(xué)的盡頭是玄學(xué)”云云。

其實(shí)，這個(gè)“太極圖”是實(shí)驗(yàn)中人為制造出來(lái)的。

1

揭穿“太極圖”謠言的關(guān)鍵：一束人工調(diào)制成陰陽(yáng)形狀的泵浦光

這篇論文的題目翻譯為中文是“空間雙光子態(tài)的振幅和相位干涉成像”。這里的“雙光子態(tài)”就是一個(gè)“量子糾纏態(tài)”。論文的作者來(lái)自于意大利羅馬大學(xué)和加拿大渥太華大學(xué)。根據(jù)論文摘要，可知研究人員在實(shí)驗(yàn)上大幅提高了對(duì)雙光子態(tài)做全息成像的效率。

《空間雙光子態(tài)的振幅和相位干涉成像》論文摘要（圖片來(lái)源：論文截圖）

引起廣泛傳播的“太極”圖，就是這篇論文的圖6。我們把圖6截取下來(lái)，并把關(guān)鍵信息標(biāo)黃。這條關(guān)鍵信息是：一束自帶陰陽(yáng)形狀的泵浦光（見小圖）。

因此，輸入的泵浦光（pump beam）本身就帶著圖6a右上方小圖的形狀，圖6a就是參考光和泵浦光各自產(chǎn)生的SPDC態(tài)的干涉圖，圖6b就是通過a的干涉圖重構(gòu)出泵浦光的形狀。

SPDC全稱是spontaneous parametric down-conversion（自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換），讀起來(lái)有些繞口，這里只需知道，它是實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生雙光子量子糾纏的主要方法，具體為一束頻率相對(duì)高的泵浦光打在一個(gè)非線性晶體上，不斷產(chǎn)生一對(duì)對(duì)糾纏光子。

由于動(dòng)量守恒和能量守恒的要求，產(chǎn)生的一對(duì)光子的能量和泵浦光一個(gè)光子的能量相等（其中單個(gè)光子的能量就是泵浦光一個(gè)光子的一半，因此稱為下轉(zhuǎn)換），一對(duì)光子總的動(dòng)量和角動(dòng)量也和泵浦光一個(gè)光子的相等，這樣一對(duì)光子就形成了一個(gè)量子糾纏態(tài)，即路徑和偏振方向（自旋角動(dòng)量）的處于糾纏狀態(tài)。

《空間雙光子態(tài)的振幅和相位干涉成像》的圖6就是網(wǎng)傳所謂的“太極圖”（圖片來(lái)源：論文截圖）

2

如何產(chǎn)生“一束自帶陰陽(yáng)形狀的泵浦光”？

接下來(lái)我們看看“一束自帶陰陽(yáng)形狀的泵浦光”是怎么產(chǎn)生的。

這篇論文的圖2描繪了實(shí)驗(yàn)裝置。圖2a就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的光路圖，其中綠色的BBO晶體就是SPDC過程所需要的非線性晶體。紫色的光束就是泵浦光，紅色光束就是糾纏的雙光子，通過分束器打在兩個(gè)單光子相機(jī)上。

圖片來(lái)源：論文截圖

我們注意標(biāo)黃的文字：泵浦光的形狀是由一個(gè)紫外的空間光調(diào)制器（UV-SLM）生成的。即圖中最左邊的SLM決定了泵浦光的形狀，因?yàn)楸闷止馐?05nm波長(zhǎng)，所以需要紫外的SLM來(lái)調(diào)制它。也就是說(shuō)，圖6的陰陽(yáng)太極圖形狀根本原因是SLM把泵浦光（波前）設(shè)置成了陰陽(yáng)太極圖形狀。

SLM全稱是spatial light modulator，即空間光調(diào)制器。它是一種新型的光調(diào)制器件，由多個(gè)像素在空間上排列成二維陣列，每個(gè)像素都可以獨(dú)立地接收電信號(hào)控制，并按此信號(hào)改變自身的光學(xué)性質(zhì)，從而對(duì)照在其上的光（波前）進(jìn)行調(diào)制。通常的SLM是液晶式的，即利用液晶材料的電光效應(yīng)，在計(jì)算機(jī)編程控制下，通過改變液晶分子的排列方式來(lái)改變光束的偏振態(tài)、相位和強(qiáng)度。例如通過透射率調(diào)制光的強(qiáng)度，通過折射率調(diào)制光的相位，通過偏振面的旋轉(zhuǎn)調(diào)制偏振態(tài)等等。

也就是說(shuō)，我們通過計(jì)算機(jī)輸入給SLM一個(gè)陰陽(yáng)太極圖，它就把光調(diào)制成一個(gè)陰陽(yáng)太極圖案的二維分布。如果我們給SLM輸入的是一只貓的圖案，那它就會(huì)把光調(diào)制成一只貓的形狀的二維分布；如果我們給SLM輸入的是一條狗的圖案，那它就會(huì)把光調(diào)制成一條狗的形狀的二維分布……不過由于SLM的像素比較少，復(fù)雜的圖案很難顯示。但太極圖這種陰陽(yáng)魚互相纏繞的圖案并不復(fù)雜，方便SLM把泵浦光調(diào)制出這個(gè)形狀，這也許是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)選擇太極圖的一個(gè)原因。

◆總結(jié)

在量子力學(xué)早期發(fā)展過程中，量子力學(xué)的“旗手”尼爾斯·玻爾曾經(jīng)使用太極圖的“陰陽(yáng)互補(bǔ)”將自己的“互補(bǔ)原理”可視化，這個(gè)淵源也可能是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)選擇太極圖調(diào)制泵浦光的另一個(gè)原因。但實(shí)際上，太極圖可以給所有的二元論思想做一個(gè)可視化，這是哲學(xué)上的事情，并不是物理上的事情。

總之，這個(gè)圖的來(lái)源就是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)使用SLM這個(gè)器件，把泵浦光的波前人為地調(diào)制成了陰陽(yáng)太極圖形狀。而泵浦光通過SPDC過程產(chǎn)生的雙光子經(jīng)過干涉，經(jīng)過該團(tuán)隊(duì)改進(jìn)的全息技術(shù)，可以快速地把來(lái)自泵浦光的陰陽(yáng)太極形狀恢復(fù)出來(lái)。從頭到尾，太極圖都是人造的，和量子糾纏的本質(zhì)沒有任何關(guān)系。

作者：張文卓 中國(guó)科學(xué)院量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士，夸密量子創(chuàng)始人兼CEO，前中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)成員

審核：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 研究員

出品：科普中國(guó)

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司