據(jù)美國桑迪亞國家實驗室和馬克斯-普朗克光科學(xué)研究所的科學(xué)家們稱，這種裝置可以取代一屋子的設(shè)備，在一種被稱為糾纏的奇異量子效應(yīng)中把光子聯(lián)系起來。它是一種被稱為元表面的納米工程材料，為以復(fù)雜的方式糾纏光子鋪平了道路，而這在緊湊的技術(shù)中是不可能的。

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當(dāng)光子被說成是糾纏在一起時，這意味著它們以這樣一種方式聯(lián)系在一起，即對一個光子的行動會影響到另一個光子，無論這些光子在宇宙中處于什么位置或相隔多遠。這是量子力學(xué)的一種怪異效應(yīng)，是支配粒子和其他非常微小事物的物理學(xué)定律。

盡管這種現(xiàn)象可能看起來很奇怪，但研究人員已經(jīng)利用它以新的方式處理信息。例如，糾纏有助于保護脆弱的量子信息和糾正量子計算中的錯誤，這個領(lǐng)域有朝一日可能會對科學(xué)、金融和國家安全產(chǎn)生全面影響。糾纏還能為安全通信提供先進的新加密方法。

這個突破性的裝置的厚度只有一張紙的百分之一，其研究部分是在綜合納米技術(shù)中心進行的，該中心是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施，由桑迪亞和洛斯阿拉莫斯國家實驗室運營。桑迪亞的團隊得到了科學(xué)辦公室基礎(chǔ)能源科學(xué)項目的資助。

新的元表面充當(dāng)了這種不尋常的量子現(xiàn)象的“門戶”。在某些方面，它就像劉易斯·卡羅爾的《愛麗絲鏡中奇遇記》中的鏡子，年輕的主人公愛麗絲通過它經(jīng)歷了一個奇怪的新世界。

科學(xué)家們不是通過他們的新設(shè)備行走，而是用激光照射它。光束穿過一個超薄的玻璃樣品，上面覆蓋著由一種叫做砷化鎵的普通半導(dǎo)體材料制成的納米級結(jié)構(gòu)。

“它擾亂了所有的光場，”桑迪亞高級科學(xué)家Igal Brener說。他是一個叫做非線性光學(xué)領(lǐng)域的專家，并領(lǐng)導(dǎo)桑迪亞團隊。他說，偶爾會有一對不同波長的糾纏光子從樣品中出現(xiàn)，與進入的激光束方向相同。

Brener說，他對這個裝置充滿熱情，因為它被設(shè)計用來產(chǎn)生復(fù)雜的糾纏光子網(wǎng)。它不是一次只產(chǎn)生一對，而是可以產(chǎn)生幾對都糾纏在一起的光子，還有一些可以彼此不分。一些技術(shù)需要這些復(fù)雜的所謂多糾纏品種來實現(xiàn)復(fù)雜的信息處理方案。

盡管其他基于硅光子學(xué)的微型技術(shù)也能糾纏光子，但它們?nèi)狈Ψ浅Ｐ枰膹?fù)雜的多糾纏水平。直到現(xiàn)在，產(chǎn)生這種結(jié)果的唯一方法是使用充滿激光器、專門的晶體和其他光學(xué)設(shè)備的多個桌子。

Brener表示：“當(dāng)這種多糾纏需要超過兩或三對時，它是相當(dāng)復(fù)雜的，有點難以解決。這些非線性元表面基本上在一個樣品中實現(xiàn)了這一任務(wù)，而以前這需要令人難以置信的復(fù)雜的光學(xué)設(shè)置。”

《科學(xué)》論文概述了該團隊如何成功地調(diào)整他們的元表面，以產(chǎn)生具有不同波長的糾纏光子。這是同時產(chǎn)生幾對錯綜復(fù)雜的糾纏光子的關(guān)鍵前兆。

然而，科學(xué)家們在他們的論文中指出，他們的設(shè)備的效率--他們能夠產(chǎn)生糾纏光子組的速度--低于其他技術(shù)，將需要加以改進。

什么是元表面？

元表面是一種合成材料，它以傳統(tǒng)材料無法做到的方式與光和其他電磁波互動。Brener說，商業(yè)行業(yè)正忙于開發(fā)元表面，因為它們占用的空間更少，而且比傳統(tǒng)的透鏡能對光做更多的事。

“你現(xiàn)在可以用元表面代替透鏡和厚的光學(xué)元件，”Brener說。“這些類型的元表面將徹底改變消費產(chǎn)品。”

桑迪亞國家實驗室是世界上進行超表面和超材料研究的領(lǐng)先機構(gòu)之一。在其制造化合物半導(dǎo)體的微系統(tǒng)工程、科學(xué)和應(yīng)用綜合體以及附近的綜合納米技術(shù)中心之間，科學(xué)家們可以獲得他們設(shè)計、制造和分析這些雄心勃勃的新材料所需的所有專業(yè)工具。

桑迪亞的前博士后研究員Sylvain Gennaro說：“這項工作具有挑戰(zhàn)性，因為它需要精確的納米加工技術(shù)來獲得尖銳的窄帶光學(xué)共振，這些共振是這項工作的量子過程的種子，”他參與了該項目的幾個方面。

該裝置是通過桑迪亞和物理學(xué)家Maria Chekhova領(lǐng)導(dǎo)的研究小組之間的合作來設(shè)計、制造和測試。她是馬克斯-普朗克光科學(xué)研究所的光子量子糾纏方面的專家。

Tomás Santiago-Cruz說：“元表面正在導(dǎo)致量子光學(xué)的范式轉(zhuǎn)變，將超小的量子光源與量子態(tài)工程的深遠可能性相結(jié)合。”他是馬克斯-普朗克團隊的成員，也是該論文的第一作者。

研究超材料十多年的Brener說，這項最新的研究可能會引發(fā)第二次革命--看到這些材料不僅作為一種新的透鏡，而且作為一種技術(shù)用于量子信息處理和其他新的應(yīng)用。他表示：“有一波元表面技術(shù)已經(jīng)很成熟了，而且正在進行中。也許還有第二波創(chuàng)新應(yīng)用即將到來。”