曾幾何時，全息圖還只是存在于科幻小說中的奇思妙想，但隨著激光的快速發(fā)展，這種技術(shù)已逐漸成為世人矚目的焦點(diǎn)，它不再只出現(xiàn)在科幻作品中，而是存在于生活中的許多方面。現(xiàn)在，全息技術(shù)已成了數(shù)據(jù)存儲、生物顯微鏡、醫(yī)學(xué)成像和醫(yī)學(xué)診斷等應(yīng)用的重要工具。例如在一種被稱為全息顯微術(shù)的技術(shù)中，科學(xué)家會利用全息圖來破譯組織和活細(xì)胞中的生物機(jī)制。

這種神奇的光學(xué)技術(shù)是由匈牙利裔英國物理學(xué)家Dennis Gabor于20世紀(jì)50年代初提出的，而Gabor也因此發(fā)明獲得了1971年的諾貝爾物理學(xué)獎。

在經(jīng)典的全息術(shù)中，這項(xiàng)技術(shù)涉及到將一束激光分成兩條路徑來描繪三維物體的二維繪圖。其中一條路徑的光束被稱為物光束，這束光用照相機(jī)或特殊的全息膠片收集到反射的光，來形成全息術(shù)中的像；第二條路徑的光束被稱為參考光束，它從一面鏡子上直接反彈到收集面上。

對于經(jīng)典的全息術(shù)來說，兩道光束之間的干涉是關(guān)鍵所在，而干涉通常要求光是“相干的”，即它們必須在何時何地都擁有相同的頻率。換句話說，光學(xué)相干性對任何全息過程都至關(guān)重要。作為一種高度相干的光，激光被用在大多數(shù)全息系統(tǒng)中。然而，這種方法雖然在光的方向、顏色和偏振方面可以有著非常好的表現(xiàn)，但也有著顯而易見的局限性，比如可能會受到其他光源的干擾，且對外部物理環(huán)境的不穩(wěn)定性非常敏感。

現(xiàn)在，格拉斯哥大學(xué)的一個物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)找到了一種繞過這些傳統(tǒng)局限來創(chuàng)造全息圖的方法，為全息術(shù)帶來了飛躍性的突破。他們將新的方法發(fā)表在了近期的《自然-物理》雜志上。

在傳統(tǒng)全息術(shù)中，我們認(rèn)為光首先必須干涉才能產(chǎn)生全息圖；其次，光必須相干才能干涉。而在新的研究中，物理學(xué)家正是認(rèn)為第二點(diǎn)“并不完全正確”才得以做出了突破。在新的方法中，他們同樣用到了一束被分成兩條路徑的激光，但與之前不同的是，這兩道光束永遠(yuǎn)不會重新聚合，他們利用的是一種被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的奇異特性——量子糾纏。

糾纏的光子是由量子源以成對的粒子流的形式發(fā)射出來的光子，具有糾纏特性的光子在本質(zhì)上是“連接”在一起的，即便它們可能分別位于空間中的兩個相距甚遠(yuǎn)的位置。如此一來，兩個糾纏的光子可以表現(xiàn)得像一個單一的物體那樣，對其中的任何一個進(jìn)行的測量，都會影響到整個系統(tǒng)。

在新研究中，物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中使用了一束藍(lán)色激光，他們將這束激光照射在一個特殊的非線性晶體上，激光通過晶體后會分裂成兩列光束，且在這個過程中產(chǎn)生糾纏光子。糾纏的光子不僅在運(yùn)動方向上糾纏，而且在偏振上也是糾纏的。

每一對糾纏光子會被分開送往兩個不同的方向，一個光子被發(fā)送到一個物體上，例如一個有著生物樣本的顯微鏡載玻片上，當(dāng)它與物體發(fā)生撞擊時，光子就會稍微偏離一點(diǎn)或放慢一點(diǎn)，它相當(dāng)于傳統(tǒng)全息術(shù)中的物光束。

與此同時，與它糾纏的光子會擊中一個空間光調(diào)制器，這個空間光調(diào)制器能使通過它的光的速度稍微減慢。一旦這個光子通過了調(diào)制器，它就與和它成對的糾纏光子有了不同的相位。這個相當(dāng)于傳統(tǒng)全息術(shù)中的參考光束。

在糾纏光子對穿過了各自的目標(biāo)后，它們不會相互重疊。光子的波的性質(zhì)使它們不僅能在被擊中的位置探測到物體的厚度，同時能測量整個物體的厚度。如此一來，樣品的厚度、三維結(jié)構(gòu)等信息，就會被“印”在光子上。而由于光子是糾纏的，因此印在一個光子上的印記可以同時被兩個光子共享。然后，干涉現(xiàn)象就可以在遠(yuǎn)距離發(fā)生，整個過程不需要涉及光束的疊加。這時，通過使用獨(dú)立的照相機(jī)來測量兩個糾纏光子的位置相關(guān)性，就能最終得到一個全息圖。

用糾纏光子生成全息圖的過程。| 圖片來源：格拉斯哥大學(xué)

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員重建出了一些真實(shí)物體（如透明膠帶、顯微鏡載玻片上的硅油滴、羽毛）的全息圖像，以及一個在液晶顯示器上創(chuàng)造出的“UofG”字樣的全息圖像。

新的量子全息方法的最令人驚嘆的地方在于，即使是相距甚遠(yuǎn)的、從未發(fā)生過相互作用的光子，也可以因?yàn)榱孔蛹m纏的存在而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。它具有十分實(shí)際的應(yīng)用優(yōu)勢，比如它能提供更好的穩(wěn)定性，因?yàn)榱孔蛹m纏是一種固有特性，這種特性對外部環(huán)境的干擾不那么敏感。

這樣的突破性發(fā)現(xiàn)或許能改善醫(yī)學(xué)成像、加速量子信息科學(xué)的發(fā)展。利用新的全息術(shù)，科學(xué)家或許可以制造出比現(xiàn)有顯微鏡技術(shù)質(zhì)量更好的生物圖像，從而有望被用來解開以前從未被觀察到的細(xì)胞內(nèi)的生物結(jié)構(gòu)和機(jī)制。