超表面藝術圖。
量子超表面在疊加態下的散射示意圖。
超表面是在納米尺度上設計的人工材料，能夠以極高的精度控制光的散射。在過去的近十年時間中，超表面材料在傳感器、透鏡和成像技術等諸多領域有廣泛的應用。
《自然·物理學》雜誌報道，美國哈佛大學研究人員Mikhail Lukin領導的團隊認為，利用薄原子陣列的宏觀響應與光糾纏，可以實現量子超表面的設想。這種新型超表面可以控制透射光和反射光的時空、量子特性。
論文作者Rivka Bekenstein在接受Phys.org採訪時表示：“量子超表面是一種基於原子設計的全新材料，它是光子量子計算等應用的基礎。通過結合遠距離相互作用控制多原子狀態技術和單片原子反射光技術，我們確定了一種能夠在實驗室中實現的新結構。在這種結構中，單層原子可以充當可切換量子鏡。”
糾纏態是一種只存在於量子實體中的獨特狀態。研究人員提出的量子超材料可以產生許多光粒子的特定糾纏態，這對量子信息處理應用非常有價值。在Bekenstein等的方案中，他們利用原子系統中自然發生的Rydberg相互作用，使單層原子以量子疊加的方式同時反射和傳輸光。換句話說，由此製造的量子超表面，既是“透明的”，又可以像鏡面一樣反射光線。Bekenstein解釋說：“在量子力學中，實體可以共存於不同的狀態，即疊加態。我們設計的量子超表面就具備這一共存屬性。”
Bekenstein等採用的設計策略誘導了不同超表面和光、單個光粒子之間的量子糾纏。值得注意的是，Bekenstein等提出的結構也可以控制不同數量的光子處於糾纏態，這是實現大多數量子應用的關鍵。
通過一系列定量計算，研究人員分析了超表面實現量子操作的原理。Bekenstein說：“這種超表面結構的關鍵優勢在於，雖然構成超表面的原子數以百計，但只需要對其中一個原子進行量子力學層面的操作。”
此外，Bekenstein等最近還引入了一種新技術來獲得對宏觀材料光反應的量子控制。這項技術有望為開發全新類型的量子材料鋪平道路，以及徹底改變目前對量子光學材料、光響應的理解。
Bekenstein說：“我們正在探索在其他實驗系統中實現新量子超表面的可行性。同時，我們對揭示這種量子超表面對光的非線性響應也很感興趣。最後，我們希望找到新量子超表面在量子信息處理中的具體實際應用。”
期刊編號：1745-2473
原文鏈接：https://phys.org/news/2020-04-quantum-metasurface-simultaneously-multiple-properties.html
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