來自以色列理工學院的兩個研究團隊合作進行了開創性研究，開發出了一個新的科學領域：量子超材料。該研究成果已發表在著名期刊Science上。

    該研究由物理與固態研究所的Mordechai Segev教授及其團隊成員Tomer Stav和Dikla Oren與機械工程學院的Erez Hasman教授和團隊成員Arkady Faerman，Elhanan Maguid和Vladimir Kleiner博士合作完成。這兩個研究團隊都隸屬于Russell Berrie納米技術研究所（RBNI）。

    研究人員首次證明，超材料將有可能應用于量子信息和計算領域，從而為廣泛的實際應用提供了可能性，例如開發不可破解的加密。

    超材料是一類人工合成材料，由眾多納米結構組成，旨在能夠對光產生不同方式的響應。是二維超材料的超穎表面由許多極薄亞波長光學納米天線組成，通過設計，每個都能與光相互作用時發揮特定功能。

    到目前為止，超材料的實驗一直局限于使用經典光操作。現在，該研究團隊首次表明，使用超材料作為量子光學和量子信息的構建模塊在實驗上是可行的。更具體地說，研究人員已經證明了使用超材料可產生和操縱糾纏，而這是量子信息方案最關鍵的特征。

    Moti Segev教授表示：“在這個實驗中，我們所做的是將超材料帶入量子信息領域。利用現有技術，人們可以設計和制造具有任意電磁特性的材料。例如，人們可以設計和制造隱形斗篷，或者可以創造一種光線向后彎曲的媒介。但是，到目前為止，所有這些技術都是利用經典光完成的。而我們所展示的是如何利用人造納米材料的優越功能來產生和控制量子光。”

    Erez Hasman 指出：“關鍵部件是電介質表面，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類似螺釘或漩渦結構，一個順時針和一個逆時針方向。組件表面必須由透明納米材料制成，否則就會像在大多數超材料實驗一樣，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這兩位學生提出。該研究已經引出了許多新的研究方向以及新的應用可能性，例如，在芯片上制造量子信息系統并在設計時控制量子特性。

    該研究中，研究成員進行了兩組實驗，以產生光子自旋和軌道角動量之間的糾纏。光子是構成光的基本粒子：它們具有零質量，以光速行進，相互之間不產生作用。

    在第一個實驗中，研究人員首先將光子對分裂，將其中一個通過一個獨特的超曲面，另一個通過探測器指示另一個光子的到達。然后，他們測量了通過表面的單光子，發現它已經獲得了軌道角動量（OAM），并且OAM已經與自旋糾纏在一起。

    在第二個實驗中，通過使用兩個探測器測量單個光子對通過表面，以證明它們已經被糾纏：一個光子的自旋與另一個光子的軌道角動量相關，反之亦然。

    所謂糾纏意味著對一個光子執行操作的同時會影響另一個光子，即使在遠距離傳播時也是如此。在量子力學中，光子被認為存在正自旋狀態和負自旋狀態。

    通過一個簡單的類比，能夠對此作出最好的解釋：取兩個盒子，里面各有兩個球，一個紅色和一個藍色的球。如果兩個盒子各自獨立，那么每個盒子中都要可能拿出一個紅色或藍色的球。但是，如果盒子被纏住，那么盒子內的球可以是紅色或藍色，但只能在觀察到一個盒子中的球時，確定第二個盒子中球的顏色。這個故事最初是由著名的諾貝爾獎獲得者Erwin Schroedinger講述，他闡述了一只貓在一個盒子里的情景，這只貓既活著又死了，但是只有盒子被打開時才能確定。

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責任編輯：殷鵬飛

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