以色列理工學院的兩個科學家小組合作進行了開創性的研究，開發了一個新的創新科學領域：量子超材料。研究結果發表在著名期刊“Science”（“Quantum entanglement of the spin and orbital angular momentum of photons using metamaterials”）上。
該研究由以色列理工學院物理系和固態研究所的特聘教授Mordechai Segev及其團隊成員Tomer Stav和Dikla Oren與以色列理工學院機械工程學院的Erez Hasman教授和他的團隊成員Arkady Faerman，Elhanan Maguid 和Vladimir Kleiner博士合作完成。兩個研究團隊也隸屬於Russell Berrie納米技術研究所（RBNI）。
（從左到右）：特聘教授Mordechai Segev，Tomer Stav，Erez Hasman教授，Arkady Faerman，Vladimir Kleiner博士，Dikla Oren和Elhanan Maguid
研究人員首次證明，有可能將超材料應用於量子信息和計算領域，從而為許多實際應用鋪平了道路，其中包括開發不可破解的加密技術，以及為芯片上的量子信息系統開啟了新的可能性。
超材料是人工製造的材料，由眾多人造納米結構組成，旨在以不同方式對光做出響應。超表面是超材料的二維版本：由許多亞波長光學納米天線組成極薄的表面，每個都設計成在與光相互作用時發揮特定功能。
迄今為止，使用經典光的操作超材料的實驗非常受限，以色列理工學院的研究人員首次表明，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可以利用超材料來產生和操縱糾纏 - 這是任何量子信息方案中最關鍵的特徵。
“我們在這個實驗中所做的是將超材料領域帶入量子信息領域，”特聘教授Moti Segev，他是以色列理工學院海倫迪勒量子科學、物質和工程中心的創始人之一。“利用當今的技術，人們可以設計和製造具有幾乎任意的電磁特性的材料。例如，人們可以設計和製造可以從雷達中隱藏小東西的隱形斗篷，或者可以創造一種光線向後彎曲的媒介。但到目前為止，所有這些都是用經典光完成的。我們在這裡展示的是如何利用人造納米設計材料的卓越能力來產生和控制量子光。”
“這裡的關鍵部件是電介質超表面，” Erez Hasman教授說，“它的作用與左旋和右旋偏振光不同，施加一個看起來像螺釘或漩渦的相反相位，一個順時針和一個逆時針。超表面必須由透明材料製成的納米材料，否則 - 如果我們包括金屬，就像在大多數超材料實驗中那樣 - 量子特性將被破壞。
“這個項目始於兩位才華橫溢的學生--Tomer Stav和Arkady Faerman，” Segev 和Hasman教授說，“這兩個學生帶著一個開創性的想法來到我們這裡。該項目引出了許多新的方向，提出了基本問題以及應用的新可能性，例如，在芯片上製造量子信息系統並在設計上控制量子特性。
在他們的研究中，科學家們進行了兩組實驗，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：它們的質量為零，以光速傳播，並且通常不相互作用。
在實驗中，研究人員首先利用一束激光照射非線性晶體來產生單光子對，每個光子對都具有零軌道角動量和線偏振。 線偏振的光子意味著它是右旋和左旋圓偏振的疊加，其對應於正和負自旋。
在第一個實驗中，科學家們開始分離光子對 – 引導其中一個通過一個獨特的製造的超表面，另一個通過探測器來表示另一個光子的到達。然後，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），並且OAM已經與自旋糾纏在一起。
在第二個實驗中，單個光子對通過超表面並使用兩個探測器進行測量，證明它們已經糾纏在一起：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。
糾纏基本上意味著對一個光子執行的動作同時影響另一個光子，即使在遠距離傳播時也是如此。在量子力學中，認為光子在正自旋狀態和負自旋狀態都存在，但一旦被測量只採用一種狀態。
通過一個簡單的類比可能得到最好的解釋：取兩個盒子，裡面有兩個球 - 一個紅色和一個藍色的球。如果盒子沒有被糾纏，那麼你可以進入盒子並取出一個紅色或藍色的球。但是，如果盒子變成了糾纏狀態，那麼盒子內的球可以是紅色或藍色，但只有在觀察到一個盒子中的球時才能確定，同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講述的，他介紹了一隻貓在一個盒子裡的情景，在打開盒子之前，這隻貓既活著又死了。
原文鏈接：（https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=51075.php）
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