以色列理工學(xué)院的一項(xiàng)研究揭示了納米尺度結(jié)構(gòu)中受限光子總角動(dòng)量中存在一種新發(fā)現(xiàn)的量子糾纏形式。這一發(fā)現(xiàn)可能在未來(lái)量子通信和計(jì)算元件的小型化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

量子物理學(xué)有時(shí)會(huì)帶來(lái)非常規(guī)的預(yù)測(cè)。正如阿爾伯特·愛(ài)因斯坦與其同事鮑里斯·波多爾斯基和內(nèi)森·羅森（后兩位后來(lái)成為以色列理工學(xué)院物理學(xué)院創(chuàng)始人）發(fā)現(xiàn)的情景：無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，了解一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)立即影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。他們1935年的歷史性論文以三位作者姓氏首字母被冠以"EPR悖論"之名。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為，無(wú)需物理相互作用和信息傳遞，僅通過(guò)了解一個(gè)粒子的狀態(tài)就能影響遙遠(yuǎn)距離外的另一個(gè)粒子是荒謬的，他稱這種現(xiàn)象為"鬼魅般的超距作用"。

但以色列理工學(xué)院另一位物理學(xué)院研究教授阿舍·佩雷斯的開(kāi)創(chuàng)性工作表明，這一特性可用于隱形傳輸信息——即量子隱形傳態(tài)，這構(gòu)成了量子通信的基礎(chǔ)。該發(fā)現(xiàn)由佩雷斯教授與同事查爾斯·本內(nèi)特、吉勒·布拉薩德共同完成。

這一現(xiàn)象后被正式命名為量子糾纏。因其在量子計(jì)算和量子通信領(lǐng)域的測(cè)量與潛在應(yīng)用，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了阿蘭·阿斯佩教授、安東·蔡林格教授（兩位此前均獲以色列理工學(xué)院榮譽(yù)博士學(xué)位）及其同事約翰·克勞澤教授。

迄今為止，量子糾纏已在多種粒子及其不同性質(zhì)中得到驗(yàn)證。對(duì)于光子（光的粒子）而言，其傳播方向、頻率（顏色）、電場(chǎng)指向等特性均可產(chǎn)生糾纏。甚至在更抽象的角動(dòng)量等特性中也存在糾纏現(xiàn)象。

光子的角動(dòng)量分為自旋（與電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)相關(guān)）和軌道（與空間中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相關(guān)）。這類(lèi)似于地球既自轉(zhuǎn)又繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式。

對(duì)于波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于光束直徑的光子，這兩種旋轉(zhuǎn)特性可被視作獨(dú)立量。但當(dāng)光子被限制在亞波長(zhǎng)尺度的納米結(jié)構(gòu)中（納米光子學(xué)的研究方向），不同旋轉(zhuǎn)特性將無(wú)法分離，此時(shí)光子僅由單一物理量——總角動(dòng)量來(lái)表征。

為何要將光子限制在如此微小的結(jié)構(gòu)中？主要原因有二：其一是顯而易見(jiàn)的器件小型化需求，這類(lèi)似于電子電路的微型化進(jìn)程，可使光器件在更小空間內(nèi)完成更多操作；其二是更關(guān)鍵的因素——微型化能顯著增強(qiáng)光子與材料間的相互作用，從而產(chǎn)生常規(guī)尺度下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的物理現(xiàn)象和應(yīng)用。

圖片:搜狗截圖20250415065752.png

在納米尺度系統(tǒng)中，兩個(gè)光子在其總角動(dòng)量方面發(fā)生轉(zhuǎn)換，形成糾纏態(tài)。

在《自然》雜志發(fā)表的這項(xiàng)研究中，以色列理工學(xué)院博士生阿米特·卡姆和沙伊·采西斯博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：在頭發(fā)絲千分之一大小的納米系統(tǒng)中，光子可通過(guò)總角動(dòng)量（而非傳統(tǒng)自旋或軌道角動(dòng)量）實(shí)現(xiàn)量子糾纏。

研究團(tuán)隊(duì)揭示了光子從進(jìn)入納米系統(tǒng)到離開(kāi)測(cè)量系統(tǒng)的全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)這一過(guò)程拓展了光子可能存在的狀態(tài)空間。通過(guò)系列測(cè)量，研究人員繪制出相關(guān)狀態(tài)圖，利用納米系統(tǒng)特有的屬性實(shí)現(xiàn)糾纏，并證實(shí)了光子對(duì)之間的量子關(guān)聯(lián)特征。

這是20余年來(lái)首次發(fā)現(xiàn)的新型量子糾纏，未來(lái)或?qū)⑼苿?dòng)基于光子的量子通信與計(jì)算元件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)顯著的微型化突破。

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