量子糾纏的研究一直是現(xiàn)代物理學(xué)的基石，為現(xiàn)實的本質(zhì)和粒子在量子層面的行為提供了深刻的見解。正電子-電子湮滅產(chǎn)生的光子的糾纏是這一現(xiàn)象的一個有趣方面。最近的進展表明，使用新型塑料正電子發(fā)射斷層掃描（PET）掃描儀可以演示這些光子的非最大糾纏，為基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用開辟了新的途徑。

正電子-電子湮滅與光子糾纏

當正電子遇到電子時，它們會相互湮滅，產(chǎn)生兩個光子。這些光子通常以相反的方向發(fā)射，并且可以表現(xiàn)出量子糾纏，即一個光子的屬性與另一個光子的屬性直接相關(guān)，無論它們之間的距離如何。傳統(tǒng)上，這些光子被認為是最大糾纏的，這意味著它們的量子態(tài)是完全相關(guān)的。

非最大糾纏

然而，最近的實驗表明，正電子-電子湮滅產(chǎn)生的光子可以是非最大糾纏的。這意味著雖然光子仍然是糾纏的，但它們的量子態(tài)之間的相關(guān)性比最大糾纏的光子弱，但比可分離（非糾纏）的光子強。這一發(fā)現(xiàn)是使用新型塑料PET掃描儀實現(xiàn)的，該掃描儀提供了觀察和測量這些糾纏態(tài)的獨特平臺。

新型塑料PET掃描儀

這種新型PET掃描儀，稱為J-PET掃描儀，是由塑料閃爍體構(gòu)成的。與傳統(tǒng)的使用無機晶體的PET掃描儀不同，J-PET掃描儀中的塑料閃爍體主要通過康普頓效應(yīng)與湮滅光子相互作用。這種相互作用不僅允許測量光子的傳播方向，還可以測量光子的偏振。

J-PET掃描儀的設(shè)計提供了幾個優(yōu)勢：

增強的靈敏度：塑料閃爍體對光子相互作用具有更高的靈敏度，允許更精確地測量糾纏態(tài)。

成本效益：塑料閃爍體通常比無機晶體便宜，使J-PET掃描儀成為大規(guī)模應(yīng)用的更具成本效益的解決方案。

多功能性：掃描儀能夠測量光子的傳播方向和偏振，使其成為廣泛研究應(yīng)用的多功能工具。

實驗發(fā)現(xiàn)

在使用J-PET掃描儀進行的實驗中，研究人員觀察到在多孔聚合物（Amberlite樹脂）中，超過40%的湮滅導(dǎo)致了非最大糾纏的光子態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)與之前在鋁和銅等材料中進行的正電子湮滅實驗結(jié)果形成對比，后者發(fā)現(xiàn)光子是最大糾纏的。

數(shù)據(jù)表明，兩光子的偏振方向之間的相對角度變化，導(dǎo)致了非最大糾纏特有的分布。這種較弱的相關(guān)性表明，糾纏受到湮滅發(fā)生介質(zhì)的影響，為影響量子糾纏的因素提供了新的見解。

影響與未來方向

使用J-PET掃描儀演示非最大糾纏具有幾個重要意義：

• 基礎(chǔ)物理學(xué)：了解導(dǎo)致非最大糾纏的條件可以揭示量子力學(xué)和糾纏本質(zhì)的基本原理。

• 量子計算與通信：非最大糾纏態(tài)可以用于量子計算和安全通信的特定應(yīng)用，其中不同程度的糾纏可能具有優(yōu)勢。

• 醫(yī)學(xué)成像：J-PET掃描儀的增強能力可以提高PET成像的分辨率和準確性，從而改進醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的診斷工具。

• 未來的研究可能會集中在探索非最大糾纏的機制和優(yōu)化J-PET掃描儀以適應(yīng)各種應(yīng)用。此外，進一步的研究可以調(diào)查不同材料和條件下光子的糾纏特性，以全面了解這一現(xiàn)象。

結(jié)論

使用新型塑料PET掃描儀演示正電子-電子湮滅產(chǎn)生光子的非最大糾纏代表了量子物理學(xué)領(lǐng)域的重大進展。J-PET掃描儀的創(chuàng)新設(shè)計和能力為研究和實際應(yīng)用開辟了新的途徑，突顯了科學(xué)探究的動態(tài)和不斷發(fā)展的本質(zhì)。隨著我們繼續(xù)探索量子糾纏的復(fù)雜性，像J-PET掃描儀這樣的工具將在揭示量子世界的奧秘中發(fā)揮關(guān)鍵作用。