來自以色列理工學(xué)院的兩個研究團隊合作進行了開創(chuàng)性研究，開發(fā)出了一個新的科學(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教授及其團隊成員Tomer Stav和Dikla Oren與機械工程學(xué)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(shù)研究所（RBNI）。

    研究人員首次證明，超材料將有可能應(yīng)用于量子信息和計算領(lǐng)域，從而為廣泛的實際應(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光學(xué)納米天線組成，通過設(shè)計，每個都能與光相互作用時發(fā)揮特定功能。

    到目前為止，超材料的實驗一直局限于使用經(jīng)典光操作?，F(xiàn)在，該研究團隊首次表明，使用超材料作為量子光學(xué)和量子信息的構(gòu)建模塊在實驗上是可行的。更具體地說，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：“在這個實驗中，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)計和制造具有任意電磁特性的材料。例如，人們可以設(shè)計和制造隱形斗篷，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類似螺釘或漩渦結(jié)構(gòu)，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(shù)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(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)計時控制量子特性。

    該研究中，研究成員進行了兩組實驗，以產(chǎn)生光子自旋和軌道角動量之間的糾纏。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，相互之間不產(chǎn)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(fā)現(xiàn)它已經(jīng)獲得了軌道角動量（OAM），并且OAM已經(jīng)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(jīng)被糾纏：一個光子的自旋與另一個光子的軌道角動量相關(guān)，反之亦然。

    所謂糾纏意味著對一個光子執(zhí)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(xué)中，光子被認為存在正自旋狀態(tài)和負自旋狀態(tài)。

    通過一個簡單的類比，能夠?qū)Υ俗鞒鲎詈玫慕忉專喝蓚€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(nèi)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(zé)任編輯：殷鵬飛

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