新发明触发了量子力学中最奇怪和最有用的现象之一

据美国桑迪亚国家实验室和马克斯-普朗克光科学研究所的科学家们称，这种装置可以取代一屋子的设备，在一种被称为纠缠的奇异量子效应中把光子联系起来。它是一种被称为元表面的纳米工程材料，为以复杂的方式纠缠光子铺平了道路，而这在紧凑的技术中是不可能的。

当光子被说成是纠缠在一起时，这意味着它们以这样一种方式联系在一起，即对一个光子的行动会影响到另一个光子，无论这些光子在宇宙中处于什么位置或相隔多远。这是量子力学的一种怪异效应，是支配粒子和其他非常微小事物的物理学定律。

尽管这种现象可能看起来很奇怪，但研究人员已经利用它以新的方式处理信息。例如，纠缠有助于保护脆弱的量子信息和纠正量子计算中的错误，这个领域有朝一日可能会对科学、金融和国家安全产生全面影响。纠缠还能为安全通信提供先进的新加密方法。

这个突破性的装置的厚度只有一张纸的百分之一，其研究部分是在综合纳米技术中心进行的，该中心是美国能源部科学办公室的用户设施，由桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室运营。桑迪亚的团队得到了科学办公室基础能源科学项目的资助。

新的元表面充当了这种不寻常的量子现象的“门户”。在某些方面，它就像刘易斯·卡罗尔的《爱丽丝镜中奇遇记》中的镜子，年轻的主人公爱丽丝通过它经历了一个奇怪的新世界。

科学家们不是通过他们的新设备行走，而是用激光照射它。光束穿过一个超薄的玻璃样品，上面覆盖着由一种叫做砷化镓的普通半导体材料制成的纳米级结构。

“它扰乱了所有的光场，”桑迪亚高级科学家Igal Brener说。他是一个叫做非线性光学领域的专家，并领导桑迪亚团队。他说，偶尔会有一对不同波长的纠缠光子从样品中出现，与进入的激光束方向相同。

Brener说，他对这个装置充满热情，因为它被设计用来产生复杂的纠缠光子网。它不是一次只产生一对，而是可以产生几对都纠缠在一起的光子，还有一些可以彼此不分。一些技术需要这些复杂的所谓多纠缠品种来实现复杂的信息处理方案。

尽管其他基于硅光子学的微型技术也能纠缠光子，但它们缺乏非常需要的复杂的多纠缠水平。直到现在，产生这种结果的唯一方法是使用充满激光器、专门的晶体和其他光学设备的多个桌子。

Brener表示：“当这种多纠缠需要超过两或三对时，它是相当复杂的，有点难以解决。这些非线性元表面基本上在一个样品中实现了这一任务，而以前这需要令人难以置信的复杂的光学设置。”

《科学》论文概述了该团队如何成功地调整他们的元表面，以产生具有不同波长的纠缠光子。这是同时产生几对错综复杂的纠缠光子的关键前兆。

然而，科学家们在他们的论文中指出，他们的设备的效率--他们能够产生纠缠光子组的速度--低于其他技术，将需要加以改进。

什么是元表面？

元表面是一种合成材料，它以传统材料无法做到的方式与光和其他电磁波互动。Brener说，商业行业正忙于开发元表面，因为它们占用的空间更少，而且比传统的透镜能对光做更多的事。

“你现在可以用元表面代替透镜和厚的光学元件，”Brener说。“这些类型的元表面将彻底改变消费产品。”

桑迪亚国家实验室是世界上进行超表面和超材料研究的领先机构之一。在其制造化合物半导体的微系统工程、科学和应用综合体以及附近的综合纳米技术中心之间，科学家们可以获得他们设计、制造和分析这些雄心勃勃的新材料所需的所有专业工具。

桑迪亚的前博士后研究员Sylvain Gennaro说：“这项工作具有挑战性，因为它需要精确的纳米加工技术来获得尖锐的窄带光学共振，这些共振是这项工作的量子过程的种子，”他参与了该项目的几个方面。

该装置是通过桑迪亚和物理学家Maria Chekhova领导的研究小组之间的合作来设计、制造和测试。她是马克斯-普朗克光科学研究所的光子量子纠缠方面的专家。

Tomás Santiago-Cruz说：“元表面正在导致量子光学的范式转变，将超小的量子光源与量子态工程的深远可能性相结合。”他是马克斯-普朗克团队的成员，也是该论文的第一作者。

研究超材料十多年的Brener说，这项最新的研究可能会引发第二次革命--看到这些材料不仅作为一种新的透镜，而且作为一种技术用于量子信息处理和其他新的应用。他表示：“有一波元表面技术已经很成熟了，而且正在进行中。也许还有第二波创新应用即将到来。”