超表面艺术图。
量子超表面在叠加态下的散射示意图。
超表面是在纳米尺度上设计的人工材料，能够以极高的精度控制光的散射。在过去的近十年时间中，超表面材料在传感器、透镜和成像技术等诸多领域有广泛的应用。
《自然·物理学》杂志报道，美国哈佛大学研究人员Mikhail Lukin领导的团队认为，利用薄原子阵列的宏观响应与光纠缠，可以实现量子超表面的设想。这种新型超表面可以控制透射光和反射光的时空、量子特性。
论文作者Rivka Bekenstein在接受Phys.org采访时表示：“量子超表面是一种基于原子设计的全新材料，它是光子量子计算等应用的基础。通过结合远距离相互作用控制多原子状态技术和单片原子反射光技术，我们确定了一种能够在实验室中实现的新结构。在这种结构中，单层原子可以充当可切换量子镜。”
纠缠态是一种只存在于量子实体中的独特状态。研究人员提出的量子超材料可以产生许多光粒子的特定纠缠态，这对量子信息处理应用非常有价值。在Bekenstein等的方案中，他们利用原子系统中自然发生的Rydberg相互作用，使单层原子以量子叠加的方式同时反射和传输光。换句话说，由此制造的量子超表面，既是“透明的”，又可以像镜面一样反射光线。Bekenstein解释说：“在量子力学中，实体可以共存于不同的状态，即叠加态。我们设计的量子超表面就具备这一共存属性。”
Bekenstein等采用的设计策略诱导了不同超表面和光、单个光粒子之间的量子纠缠。值得注意的是，Bekenstein等提出的结构也可以控制不同数量的光子处于纠缠态，这是实现大多数量子应用的关键。
通过一系列定量计算，研究人员分析了超表面实现量子操作的原理。Bekenstein说：“这种超表面结构的关键优势在于，虽然构成超表面的原子数以百计，但只需要对其中一个原子进行量子力学层面的操作。”
此外，Bekenstein等最近还引入了一种新技术来获得对宏观材料光反应的量子控制。这项技术有望为开发全新类型的量子材料铺平道路，以及彻底改变目前对量子光学材料、光响应的理解。
Bekenstein说：“我们正在探索在其他实验系统中实现新量子超表面的可行性。同时，我们对揭示这种量子超表面对光的非线性响应也很感兴趣。最后，我们希望找到新量子超表面在量子信息处理中的具体实际应用。”
期刊编号：1745-2473
原文链接：https://phys.org/news/2020-04-quantum-metasurface-simultaneously-multiple-properties.html