网传量子纠缠产生“太极图”，又玄学了吗？真相是……
来源： 科普中国 发布时间：2023-12-11
前段时间，一则关于量子纠缠产生“太极”图案的新闻在网络上广泛传播。这个“太极”图案源自于《自然·光子学》的一篇论文。
（论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01272-3）
但网上有些人未经真相的探究，便称“量子纠缠意外呈现太极图，科学的尽头是玄学”云云。
其实，这个“太极图”是实验中人为制造出来的。
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揭穿“太极图”谣言的关键：一束人工调制成阴阳形状的泵浦光
这篇论文的题目翻译为中文是“空间双光子态的振幅和相位干涉成像”。这里的“双光子态”就是一个“量子纠缠态”。论文的作者来自于意大利罗马大学和加大拿渥太华大学。根据论文摘要，可知研究人员在实验上大幅提高了对双光子态做全息成像的效率。
《空间双光子态的振幅和相位干涉成像》论文摘要（图片来源：论文截图）
引起广泛传播的“太极”图，就是这篇论文的图6。我们把图6截取下来，并把关键信息标黄。这条关键信息是：一束自带阴阳形状的泵浦光（见小图）。
因此，输入的泵浦光（pump beam）本身就带着图6a右上方小图的形状，图6a就是参考光和泵浦光各自产生的spdc态的干涉图，图6b就是通过a的干涉图重构出泵浦光的形状。
spdc全称是spontaneous parametric down-conversion（自发参量下转换），读起来有些绕口，这里只需知道，它是实验上产生双光子量子纠缠的主要方法，具体为一束频率相对高的泵浦光打在一个非线性晶体上，不断产生一对对纠缠光子。
由于动量守恒和能量守恒的要求，产生的一对光子的能量和泵浦光一个光子的能量相等（其中单个光子的能量就是泵浦光一个光子的一半，因此称为下转换），一对光子总的动量和角动量也和泵浦光一个光子的相等，这样一对光子就形成了一个量子纠缠态，即路径和偏振方向（自旋角动量）的处于纠缠状态。
《空间双光子态的振幅和相位干涉成像》的图6就是网传所谓的“太极图”（图片来源：论文截图）
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如何产生“一束自带阴阳形状的泵浦光”？
接下来我们看看“一束自带阴阳形状的泵浦光”是怎么产生的。
这篇论文的图2描绘了实验装置。图2a就是这个实验的光路图，其中绿色的bbo晶体就是spdc过程所需要的非线性晶体。紫色的光束就是泵浦光，红色光束就是纠缠的双光子，通过分束器打在两个单光子相机上。
图片来源：论文截图
我们注意标黄的文字：泵浦光的形状是由一个紫外的空间光调制器（uv-slm）生成的。即图中最左边的slm决定了泵浦光的形状，因为泵浦光是405nm波长，所以需要紫外的slm来调制它。也就是说，图6的阴阳太极图形状根本原因是slm把泵浦光（波前）设置成了阴阳太极图形状。
slm全称是spatial light modulator，即空间光调制器。它是一种新型的光调制器件，由多个像素在空间上排列成二维阵列，每个像素都可以独立地接收电信号控制，并按此信号改变自身的光学性质，从而对照在其上的光（波前）进行调制。通常的slm是液晶式的，即利用液晶材料的电光效应，在计算机编程控制下，通过改变液晶分子的排列方式来改变光束的偏振态、相位和强度。例如通过透射率调制光的强度，通过折射率调制光的相位，通过偏振面的旋转调制偏振态等等。
也就是说，我们通过计算机输入给slm一个阴阳太极图，它就把光调制成一个阴阳太极图案的二维分布。如果我们给slm输入的是一只猫的图案，那它就会把光调制成一只猫的形状的二维分布；如果我们给slm输入的是一条狗的图案，那它就会把光调制成一条狗的形状的二维分布……不过由于slm的像素比较少，复杂的图案很难显示。但太极图这种阴阳鱼互相缠绕的图案并不复杂，方便slm把泵浦光调制出这个形状，这也许是实验团队选择太极图的一个原因。
◆总结
在量子力学早期发展过程中，量子力学的“旗手”尼尔斯·玻尔曾经使用太极图的“阴阳互补”将自己的“互补原理”可视化，这个渊源也可能是实验团队选择太极图调制泵浦光的另一个原因。但实际上，太极图可以给所有的二元论思想做一个可视化，这是哲学上的事情，并不是物理上的事情。
总之，这个图的来源就是实验团队使用slm这个器件，把泵浦光的波前人为地调制成了阴阳太极图形状。而泵浦光通过spdc过程产生的双光子经过干涉，经过该团队改进的全息技术，可以快速地把来自泵浦光的阴阳太极形状恢复出来。从头到尾，太极图都是人造的，和量子纠缠的本质没有任何关系。
作者：张文卓 中国科学院量子光学重点实验室博士，夸密量子创始人兼ceo，前中国科学技术大学“墨子号”量子卫星团队成员
审核：罗会仟 中国科学院物理研究所 研究员
出品：科普中国
监制：中国科学技术出版社有限公司、中科数创（北京）数字传媒有限公司
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