类型a
研究作者与机构及发表信息
本研究的主要作者为Wuhong Zhang、Xiaodong Qiu、Dongkai Zhang和Lixiang Chen，他们均来自厦门大学物理系。该研究于2023年发表在期刊《Laser & Photonics Reviews》上，文章标题为“Visualizing the Hardy’s Paradox Using Hyper-Entanglement-Assisted Ghost Imaging”（使用超纠缠辅助的鬼成像技术可视化Hardy悖论）。
学术背景
量子非局域性（Quantum Nonlocality）是量子信息科学与技术的核心概念之一，它不仅在理论上反直觉且数学上难以捉摸，还在实验验证中具有重要意义。量子成像（Ghost Imaging）是一种基于量子关联效应的成像技术，最初由Shih及其同事利用纠缠光子对实现非局域成像。近年来，量子成像技术得到了快速发展，例如通过亚散粒噪声成像提高信噪比、突破衍射极限等。然而，现有量子成像技术大多仅利用单一光子自由度，而超纠缠态（Hyper-Entanglement）——即两个光子同时在多个自由度上纠缠——在量子信息处理中的潜力尚未被充分开发。此外，Bell不等式的违反已被广泛用于展示量子非局域性，但Hardy悖论提供了一种无需不等式即可证明非局域性的更直观方法。因此，本研究旨在结合超纠缠态与鬼成像技术，提出一种新的实验策略以直观地展示Hardy悖论，并探索其在量子成像领域的应用价值。
研究流程
本研究分为四个主要步骤：理论分析、实验设计、数据采集与分析以及结果验证。
理论分析
研究首先从理论上分析了双光子超纠缠态的生成机制。通过自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC），研究团队制备了同时包含偏振纠缠和空间模式纠缠的双光子超纠缠态。偏振纠缠态由泵浦光的偏振状态调控生成，而空间模式纠缠则基于拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian, LG）模式展开描述。随后，研究团队将偏振纠缠用于编码鬼成像通道，而空间模式纠缠用于传递鬼图像。这种设计使得Hardy悖论的逻辑结构能够通过鬼成像直接可视化。
实验设计
实验装置包括两部分：超纠缠光源制备系统和鬼成像系统。超纠缠光源由两块正交光学轴的β-硼酸钡（BBO）晶体组成，通过调节泵浦光的偏振方向，生成所需的非最大偏振纠缠态。信号路径中放置了一个复杂的目标物体（如头骨形状的图案），而闲置路径中使用了增强型电荷耦合器件（ICCD）相机记录鬼图像。实验的关键在于通过四组偏振设置（对应Hardy悖论的逻辑结构）分别记录四幅鬼图像，并通过对比这些图像来验证量子非局域性。
数据采集与分析
数据采集过程中，每个鬼图像通过累积2500帧曝光时间为5秒的ICCD图像获得。为了消除背景噪声，研究团队通过调整门延迟时间评估并扣除背景信号。数据分析采用对比噪声比（Contrast-to-Noise Ratio, CNR）量化鬼图像的质量，并通过像素级统计分析进一步验证单个像素点是否表现出非局域性。研究团队还引入了S值（s > 0）作为衡量非局域性程度的标准。
结果验证
在实验验证阶段，研究团队分别对头骨形状目标和双缝目标进行了测试。对于头骨目标，前三组偏振设置下的鬼图像几乎不可见，而第四组偏振设置下的鬼图像清晰可见，这与量子力学预测一致。对于双缝目标，研究团队进一步分析了感兴趣区域（ROI）内的单个像素点，发现75.5%的像素点满足sij > 0，表明这些像素点表现出非局域性。
主要结果
实验结果表明，在Hardy悖论的框架下，通过偏振编码的鬼成像通道可以直观地展示量子非局域性。具体而言：
1. 对于头骨目标，前三组偏振设置下的鬼图像几乎消失，而第四组偏振设置下的鬼图像清晰可见，CNR分别为0.08、0.07、0.05和0.57，支持了量子力学预测。
2. 对于双缝目标，研究团队进一步分析了单个像素点的非局域性，发现75.5%的像素点满足sij > 0，表明非局域性可以在单像素级别得到验证。
3. 实验测得的S值为0.0395 > 0，符合Mermin理论中关于纠缠系统的标准，进一步证实了实验结果的有效性。
结论与意义
本研究首次提出并实现了基于超纠缠辅助鬼成像技术的Hardy悖论可视化方法，为量子非局域性的直观展示提供了新途径。该研究不仅深化了对量子力学基本问题的理解，还为开发新型量子成像技术奠定了基础。特别是在生物成像、显微成像等领域，超纠缠态的应用有望突破传统光学的限制，实现更高分辨率和更低噪声的成像效果。
研究亮点
1. 创新性方法：结合超纠缠态与鬼成像技术，首次实现了Hardy悖论的直观可视化。
2. 单像素级别验证：通过像素级统计分析，成功展示了非局域性在单像素级别的表现，置信水平达到75.5%。
3. 实验设计新颖：利用ICCD相机记录鬼图像，避免了传统符合测量的复杂性，提高了实验效率。
其他有价值内容
研究团队还探讨了实验中的局限性，例如由于光学对准不完美和光学元件非理想性导致的偏差。此外，研究指出，未来可通过优化超纠缠光源和改进实验装置进一步提高实验精度和成像质量。