以色列理工学院的两个科学家小组合作进行了开创性的研究，开发了一个新的创新科学领域：量子超材料。研究结果发表在著名期刊“Science”（“Quantum entanglement of the spin and orbital angular momentum of photons using metamaterials”）上。
该研究由以色列理工学院物理系和固态研究所的特聘教授Mordechai Segev及其团队成员Tomer Stav和Dikla Oren与以色列理工学院机械工程学院的Erez Hasman教授和他的团队成员Arkady Faerman，Elhanan Maguid 和Vladimir Kleiner博士合作完成。两个研究团队也隶属于Russell Berrie纳米技术研究所（RBNI）。
（从左到右）：特聘教授Mordechai Segev，Tomer Stav，Erez Hasman教授，Arkady Faerman，Vladimir Kleiner博士，Dikla Oren和Elhanan Maguid
研究人员首次证明，有可能将超材料应用于量子信息和计算领域，从而为许多实际应用铺平了道路，其中包括开发不可破解的加密技术，以及为芯片上的量子信息系统开启了新的可能性。
超材料是人工制造的材料，由众多人造纳米结构组成，旨在以不同方式对光做出响应。超表面是超材料的二维版本：由许多亚波长光学纳米天线组成极薄的表面，每个都设计成在与光相互作用时发挥特定功能。
迄今为止，使用经典光的操作超材料的实验非常受限，以色列理工学院的研究人员首次表明，使用超材料作为量子光学和量子信息的构建模块在实验上是可行的。更具体地说，研究人员已经证明了可以利用超材料来产生和操纵纠缠 - 这是任何量子信息方案中最关键的特征。
“我们在这个实验中所做的是将超材料领域带入量子信息领域，”特聘教授Moti Segev，他是以色列理工学院海伦迪勒量子科学、物质和工程中心的创始人之一。“利用当今的技术，人们可以设计和制造具有几乎任意的电磁特性的材料。例如，人们可以设计和制造可以从雷达中隐藏小东西的隐形斗篷，或者可以创造一种光线向后弯曲的媒介。但到目前为止，所有这些都是用经典光完成的。我们在这里展示的是如何利用人造纳米设计材料的卓越能力来产生和控制量子光。”
“这里的关键部件是电介质超表面，” Erez Hasman教授说，“它的作用与左旋和右旋偏振光不同，施加一个看起来像螺钉或漩涡的相反相位，一个顺时针和一个逆时针。超表面必须由透明材料制成的纳米材料，否则 - 如果我们包括金属，就像在大多数超材料实验中那样 - 量子特性将被破坏。
“这个项目始于两位才华横溢的学生--Tomer Stav和Arkady Faerman，” Segev 和Hasman教授说，“这两个学生带着一个开创性的想法来到我们这里。该项目引出了许多新的方向，提出了基本问题以及应用的新可能性，例如，在芯片上制造量子信息系统并在设计上控制量子特性。
在他们的研究中，科学家们进行了两组实验，以产生光子自旋和轨道角动量之间的纠缠。光子是构成光的基本粒子：它们的质量为零，以光速传播，并且通常不相互作用。
在实验中，研究人员首先利用一束激光照射非线性晶体来产生单光子对，每个光子对都具有零轨道角动量和线偏振。 线偏振的光子意味着它是右旋和左旋圆偏振的叠加，其对应于正和负自旋。
在第一个实验中，科学家们开始分离光子对 – 引导其中一个通过一个独特的制造的超表面，另一个通过探测器来表示另一个光子的到达。然后，他们测量了通过表面的单光子，发现它已经获得了轨道角动量（OAM），并且OAM已经与自旋纠缠在一起。
在第二个实验中，单个光子对通过超表面并使用两个探测器进行测量，证明它们已经纠缠在一起：一个光子的自旋与另一个光子的轨道角动量相关，反之亦然。
纠缠基本上意味着对一个光子执行的动作同时影响另一个光子，即使在远距离传播时也是如此。在量子力学中，认为光子在正自旋状态和负自旋状态都存在，但一旦被测量只采用一种状态。
通过一个简单的类比可能得到最好的解释：取两个盒子，里面有两个球 - 一个红色和一个蓝色的球。如果盒子没有被纠缠，那么你可以进入盒子并取出一个红色或蓝色的球。但是，如果盒子变成了纠缠状态，那么盒子内的球可以是红色或蓝色，但只有在观察到一个盒子中的球时才能确定，同时确定第二个盒子中球的颜色。这个故事最初是由著名的诺贝尔奖获得者Erwin Schroedinger讲述的，他介绍了一只猫在一个盒子里的情景，在打开盒子之前，这只猫既活着又死了。
原文链接：（https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=51075.php）
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