探索宇宙奧秘 · 理性思考

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

但到了可見光波段，情況變得棘手。可見光波長遠(yuǎn)比射電波短，對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)鏡收集的光通過光纖或反射鏡送到同一個地方，光在傳輸過程中的損耗幾乎是不可避免的。

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

具體來說，每個望遠(yuǎn)鏡站點不僅接收星光，還預(yù)先保存了一對糾纏粒子中的一個。通過對本地光子和糾纏光子進行聯(lián)合測量，就能間接實現(xiàn)兩個望遠(yuǎn)鏡之間的干涉，而無需把星光搬運到同一個地方。這就像兩個人分別拿到一張拼圖的兩半，雖然沒見面，卻知道彼此手里拿的是什么圖案。

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

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

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。即便兩個光源的角間距小于衍射極限，它們在空間模式上的差異依然存在。通過分析這些模式，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)。

這項研究目前的理論驗證是針對最簡單的場景：兩個望遠(yuǎn)鏡觀測兩顆靠得很近的恒星。通過計算他們發(fā)現(xiàn)，這種量子增強方案能夠以最高精度估計出兩顆星的角間距。

但這只是第一步。Guha博士在接受采訪時提到，這套方法可以推廣到更多望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用場景也遠(yuǎn)不止測量星距。從定位星團、探測系外行星，到空間目標(biāo)識別、甚至監(jiān)測地球自轉(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。光學(xué)長基線干涉如果配上量子增強，理論上可以在600納米波長、100公里基線下實現(xiàn)1.24微角秒的分辨率。這意味著，未來我們不僅能看到系外行星的光點，甚至可能看清它大氣層里的天氣變化。

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

2025年9月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐金華、李傳鋒團隊在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表了一項關(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測量畸變波前，為未來的量子自適應(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)無法觸及的像差測量問題。

同月，大連理工大學(xué)曹暾團隊在《科學(xué)進展》上報道了一種低成本、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，配合單光子探測器，實現(xiàn)了在極暗、極冷和高噪聲環(huán)境下的清晰成像。這對深空探測和低溫物理等極端條件下的應(yīng)用有重要意義。

2026年1月，中國科學(xué)院上海高等研究院鄧海嘯、張開慶團隊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，還把成像視場從毫米級擴展到了50毫米×50毫米。這套系統(tǒng)已經(jīng)在液體混合監(jiān)測中展示出應(yīng)用潛力。

理論走在前面，實驗也沒落下。2025年9月，哈佛大學(xué)Lukin課題組在arXiv上發(fā)布了一項實驗結(jié)果。他們利用金剛石硅空位中心實現(xiàn)了遠(yuǎn)程量子存儲器之間的糾纏，并演示了糾纏輔助的差分相位測量。實驗中，兩個站點之間的光纖鏈路達(dá)到了1.55公里，成功驗證了這種遠(yuǎn)程干涉協(xié)議的可行性。

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