來(lái)自以色列理工學(xué)院的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行了開創(chuàng)性研究，開發(fā)出了一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域：量子超材料。該研究成果已發(fā)表在著名期刊Science上。

    該研究由物理與固態(tài)研究所的Mordechai Segev教授及其團(tuán)隊(duì)成員Tomer Stav和Dikla Oren與機(jī)械工程學(xué)院的Erez Hasman教授和團(tuán)隊(duì)成員Arkady Faerman，Elhanan Maguid和Vladimir Kleiner博士合作完成。這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都隸屬于Russell Berrie納米技術(shù)研究所（RBNI）。

    研究人員首次證明，超材料將有可能應(yīng)用于量子信息和計(jì)算領(lǐng)域，從而為廣泛的實(shí)際應(yīng)用提供了可能性，例如開發(fā)不可破解的加密。

    超材料是一類人工合成材料，由眾多納米結(jié)構(gòu)組成，旨在能夠?qū)猱a(chǎn)生不同方式的響應(yīng)。是二維超材料的超穎表面由許多極薄亞波長(zhǎng)光學(xué)納米天線組成，通過(guò)設(shè)計(jì)，每個(gè)都能與光相互作用時(shí)發(fā)揮特定功能。

    到目前為止，超材料的實(shí)驗(yàn)一直局限于使用經(jīng)典光操作。現(xiàn)在，該研究團(tuán)隊(duì)首次表明，使用超材料作為量子光學(xué)和量子信息的構(gòu)建模塊在實(shí)驗(yàn)上是可行的。更具體地說(shuō)，研究人員已經(jīng)證明了使用超材料可產(chǎn)生和操縱糾纏，而這是量子信息方案最關(guān)鍵的特征。

    Moti Segev教授表示：“在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們所做的是將超材料帶入量子信息領(lǐng)域。利用現(xiàn)有技術(shù)，人們可以設(shè)計(jì)和制造具有任意電磁特性的材料。例如，人們可以設(shè)計(jì)和制造隱形斗篷，或者可以創(chuàng)造一種光線向后彎曲的媒介。但是，到目前為止，所有這些技術(shù)都是利用經(jīng)典光完成的。而我們所展示的是如何利用人造納米材料的優(yōu)越功能來(lái)產(chǎn)生和控制量子光。”

    Erez Hasman 指出：“關(guān)鍵部件是電介質(zhì)表面，它以不同的方式作用于偏振光，在相反的相位前面施加一個(gè)類似螺釘或漩渦結(jié)構(gòu)，一個(gè)順時(shí)針和一個(gè)逆時(shí)針?lè)较颉＝M件表面必須由透明納米材料制成，否則就會(huì)像在大多數(shù)超材料實(shí)驗(yàn)一樣，將量子特性破壞。

    Segev and Hasman教授表示：”該研究思路由Tomer Stav和Arkady Faerman這兩位學(xué)生提出。該研究已經(jīng)引出了許多新的研究方向以及新的應(yīng)用可能性，例如，在芯片上制造量子信息系統(tǒng)并在設(shè)計(jì)時(shí)控制量子特性。

    該研究中，研究成員進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，以產(chǎn)生光子自旋和軌道角動(dòng)量之間的糾纏。光子是構(gòu)成光的基本粒子：它們具有零質(zhì)量，以光速行進(jìn)，相互之間不產(chǎn)生作用。

    在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先將光子對(duì)分裂，將其中一個(gè)通過(guò)一個(gè)獨(dú)特的超曲面，另一個(gè)通過(guò)探測(cè)器指示另一個(gè)光子的到達(dá)。然后，他們測(cè)量了通過(guò)表面的單光子，發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)獲得了軌道角動(dòng)量（OAM），并且OAM已經(jīng)與自旋糾纏在一起。

    在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)使用兩個(gè)探測(cè)器測(cè)量單個(gè)光子對(duì)通過(guò)表面，以證明它們已經(jīng)被糾纏：一個(gè)光子的自旋與另一個(gè)光子的軌道角動(dòng)量相關(guān)，反之亦然。

    所謂糾纏意味著對(duì)一個(gè)光子執(zhí)行操作的同時(shí)會(huì)影響另一個(gè)光子，即使在遠(yuǎn)距離傳播時(shí)也是如此。在量子力學(xué)中，光子被認(rèn)為存在正自旋狀態(tài)和負(fù)自旋狀態(tài)。

    通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的類比，能夠?qū)Υ俗鞒鲎詈玫慕忉專喝蓚€(gè)盒子，里面各有兩個(gè)球，一個(gè)紅色和一個(gè)藍(lán)色的球。如果兩個(gè)盒子各自獨(dú)立，那么每個(gè)盒子中都要可能拿出一個(gè)紅色或藍(lán)色的球。但是，如果盒子被纏住，那么盒子內(nèi)的球可以是紅色或藍(lán)色，但只能在觀察到一個(gè)盒子中的球時(shí)，確定第二個(gè)盒子中球的顏色。這個(gè)故事最初是由著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Erwin Schroedinger講述，他闡述了一只貓?jiān)谝粋€(gè)盒子里的情景，這只貓既活著又死了，但是只有盒子被打開時(shí)才能確定。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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