望远镜不够大？让量子纠缠帮你“作弊”|光子|探测器|望远镜|粒子|系外行星|量子

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2026年1月，发表在《物理评论快刊》上的一项研究给出了一个颠覆性的答案：用量子纠缠来“作弊”。美国亚利桑那大学、马里兰大学和NASA戈达德太空飞行中心的研究团队证明，通过预共享纠缠态，可以让相距遥远的望远镜在不搬运光信号的情况下，实现甚至超越传统干涉仪的成像精度。简单说，他们找到了用量子态代替物理光路的方法。

但到了可见光波段，情况变得棘手。可见光波长远比射电波短，对光程差的控制精度要求高到离谱。更关键的是，要把相距遥远的望远镜收集的光通过光纤或反射镜送到同一个地方，光在传输过程中的损耗几乎是不可避免的。

那怎么办？Guha博士和他的团队想到了量子纠缠。纠缠态的神奇之处在于，两个粒子无论相隔多远，它们的状态都是关联的。这种“幽灵般的超距作用”正好可以用来替代物理上的光束合并。

具体来说，每个望远镜站点不仅接收星光，还预先保存了一对纠缠粒子中的一个。通过对本地光子和纠缠光子进行联合测量，就能间接实现两个望远镜之间的干涉，而无需把星光搬运到同一个地方。这就像两个人分别拿到一张拼图的两半，虽然没见面，却知道彼此手里拿的是什么图案。

要实现这种量子增强成像，光有纠缠还不够，还得对光本身做一番改造。传统望远镜直接把光聚焦到探测器上成像，但这种方法受衍射极限的限制，两个靠得太近的光源根本分不开。

研究团队引入了一项关键技术：空间模式分解。你可以把空间模式想象成光场的各种“姿势”——有的光是均匀分布，有的是左右不对称，有的是旋转对称。普通探测器只是把所有这些姿势混在一起记录下来，而空间模式分解器则像一台筛子，把不同“姿势”的光分开，分别送到不同的探测器里。

这种做法的好处是，它能提取出传统成像丢失掉的精细信息。即便两个光源的角间距小于衍射极限，它们在空间模式上的差异依然存在。通过分析这些模式，就可以突破所谓的“瑞利极限”，看到原本不可分辨的细节。

这项研究目前的理论验证是针对最简单的场景：两个望远镜观测两颗靠得很近的恒星。通过计算他们发现，这种量子增强方案能够以最高精度估计出两颗星的角间距。

但这只是第一步。Guha博士在接受采访时提到，这套方法可以推广到更多望远镜组成的网络，应用场景也远不止测量星距。从定位星团、探测系外行星，到空间目标识别、甚至监测地球自转参数，都有它的用武之地。

特别值得关注的是它对系外行星直接成像的意义。系外行星通常紧挨着比它亮几亿倍的母星，常规手段很难把它从母星的眩光中分离出来。光学长基线干涉如果配上量子增强，理论上可以在600纳米波长、100公里基线下实现1.24微角秒的分辨率。这意味着，未来我们不仅能看到系外行星的光点，甚至可能看清它大气层里的天气变化。

回到国内，中国科学家在量子成像领域的布局其实相当活跃，只是技术路线各有侧重。

2025年9月，中国科学技术大学徐金华、李传锋团队在《光：科学与应用》上发表了一项关于双光子波前传感的研究。他们提出了一种基于位置关联双光子的Shack-Hartmann波前传感方法，能够实时测量畸变波前，为未来的量子自适应成像打下了基础。这套方法有望用于量子显微镜和远程成像，解决传统技术无法触及的像差测量问题。

同月，大连理工大学曹暾团队在《科学进展》上报道了一种低成本、抗噪声的单像素量子成像系统。他们利用旋转掩模和循环哈达玛编码，配合单光子探测器，实现了在极暗、极冷和高噪声环境下的清晰成像。这对深空探测和低温物理等极端条件下的应用有重要意义。

2026年1月，中国科学院上海高等研究院邓海啸、张开庆团队在太赫兹原子传感方面取得系列突破。他们利用里德堡态铯原子实现了6000帧/秒的超高帧率太赫兹成像，灵敏度达到单光子量级，还把成像视场从毫米级扩展到了50毫米×50毫米。这套系统已经在液体混合监测中展示出应用潜力。