这几年量子计算非常火，没学过量子力学的人这些年通过媒体都会听到量子纠缠这些概念。有些文章说对于某些算法，量子计算机的速度是传统计算机的成千上万倍。

量子纠缠，即在量子力学里，当几个基础粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。

假若对于两个相互纠缠的基础粒子分别测量其物理性质，像位置、动量、自旋、偏振等，则会发现量子关联现象。例如，假设一个零自旋粒子衰变为两个以相反方向移动分离的粒子。沿着某特定方向，对于其中一个粒子测量自旋，假若得到结果为上旋，则另外一个粒子的自旋必定为下旋，假若得到结果为下旋，则另外一个粒子的自旋必定为上旋；更特别的是，假设沿着两个不同方向分别测量两个粒子的自旋，则会发现结果违反贝尔不等式；除此以外，还会出现貌似佯谬般的现象：当对其中一个粒子做测量，另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果，尽管尚未发现任何传递信息的机制，尽管两个粒子相隔甚远。

阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森于1935年发表的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬（论述到上述现象。埃尔温·薛定谔稍后也发表几篇关于量子纠缠的论文，并且给出“量子纠缠”这一术语。爱因斯坦认为这种行为违背‘定域实在论’，称之为“鬼魅般的超距作用”(spooky action at a distance)，意思就是爱因斯坦也解释不了这种鬼魅现象。

这对（也可以是一群）相互纠缠的粒子就好像一对双胞胎，他们有心灵感应，你从一个粒子测量到的结果，在另一个粒子上也有相近的结果。量子计算，量子通信这些都是在原子领域的量子技术应用。光子也一样符合量子力学，所以对量子技术的应用自然也扩展到成像/传感领域。

成像领域要解决的最核心问题就是信噪比，现在应对超低光照条件，有SPAD(单光子雪崩光电二极管)相机进行单光子检测，这种相机这些年在超高精度显微镜领域应用很多，但是这种相机受背景噪声，相机杂散光的影响很大，很多时候杂散光会直接把传感器搞饱和了。量子成像技术的出现为改善这些技术缺陷提供了新的方法。

经典成像系统如下图所示：

而量子成像系统使用非经典光源，以及“量子”图像传感器，所谓非经典光源即可产生纠缠光子的光源，而量子图像传感器即可以捕获单光子的图像传感器。

相比经典成像，量子成像有两个核心优点：

1.可以获得更高分辨率，可以实现sub shot noise成像。

2. 可以得到独特的成像特性，比如ghost imaging，以及量子全息quantum holography。

量子成像最早于1988年由苏联科学家Klyshko提出设计方案，美国马里兰大学实现了双光子纠缠源的量子成像。不过直到最近几年真正完整的量子成像装置才被制作出来。

2019年，英国格拉斯哥大学的一组科学家设计了世界上第一台量子成像装置，如下图所示：

左下角的激光器产生波长为355nm的光线，光线透过Beta Barium Borate crystal这个晶体会变成波长为710nm的纠缠的光子对。光子对经过分光镜会变成两路，一路照射在物体上，然后到达Single photon detector。另一路光经过延迟装置进入在CCD相机。Single photon detector这路会根据物体反射的光子的有无（金属字符λ可以通过光子，周围的材料会吸收掉光子）输出一个信号S到CCD摄像机。光路延迟装置会保证信号S和CCD相机的图像信号同步。当S信号出现时，CCD才对光子感光。由这个图可以看到，它与传统相机最主要的区别是，照射到物体的光子不直接生成图像，只是产生一个验证信号来指导相机判断它是不是接受来自另一光路的兄弟光子。去往CCD相机的光路不会被物体折射或反射衰减，直接进入相机的CCD图像传感器。

下一步的实验则更为有趣，如果在CCD相机那个光路放置一个偏振片，则会发现随着偏振角度θ的变化，相机的图像也会发生方向的变化。

这一现象说明了两个光子存在纠缠现象，即一对entangled的光子中的一个发生性质（极性）改变，另一个也会被改变。

这就是爱因斯坦解释不了的“鬼魅般的超距作用”。

不过这一现象后来被科学家贝尔用光的波动性完美地解释了，即纠缠的光子在空间电磁场中的相互作用，改变其中一个的某些性质（比如极性），另一个光子的性质也会改变。

来源｜“大话成像”微信公众号