来自以色列理工学院的两个研究团队合作进行了开创性研究，开发出了一个新的科学领域：量子超材料。该研究成果已发表在著名期刊Science上。

    该研究由物理与固态研究所的Mordechai Segev教授及其团队成员Tomer Stav和Dikla Oren与机械工程学院的Erez Hasman教授和团队成员Arkady Faerman，Elhanan Maguid和Vladimir Kleiner博士合作完成。这两个研究团队都隶属于Russell Berrie纳米技术研究所（RBNI）。

    研究人员首次证明，超材料将有可能应用于量子信息和计算领域，从而为广泛的实际应用提供了可能性，例如开发不可破解的加密。

    超材料是一类人工合成材料，由众多纳米结构组成，旨在能够对光产生不同方式的响应。是二维超材料的超颖表面由许多极薄亚波长光学纳米天线组成，通过设计，每个都能与光相互作用时发挥特定功能。

    到目前为止，超材料的实验一直局限于使用经典光操作。现在，该研究团队首次表明，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使用超材料可产生和操纵纠缠，而这是量子信息方案最关键的特征。

    Moti Segev教授表示：“在这个实验中，我们所做的是将超材料带入量子信息领域。利用现有技术，人们可以设计和制造具有任意电磁特性的材料。例如，人们可以设计和制造隐形斗篷，或者可以创造一种光线向后弯曲的媒介。但是，到目前为止，所有这些技术都是利用经典光完成的。而我们所展示的是如何利用人造纳米材料的优越功能来产生和控制量子光。”

    Erez Hasman 指出：“关键部件是电介质表面，它以不同的方式作用于偏振光，在相反的相位前面施加一个类似螺钉或漩涡结构，一个顺时针和一个逆时针方向。组件表面必须由透明纳米材料制成，否则就会像在大多数超材料实验一样，将量子特性破坏。

    Segev and Hasman教授表示：”该研究思路由Tomer Stav和Arkady Faerman这两位学生提出。该研究已经引出了许多新的研究方向以及新的应用可能性，例如，在芯片上制造量子信息系统并在设计时控制量子特性。

    该研究中，研究成员进行了两组实验，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：它们具有零质量，以光速行进，相互之间不产生作用。

    在第一个实验中，研究人员首先将光子对分裂，将其中一个通过一个独特的超曲面，另一个通过探测器指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，通过使用两个探测器测量单个光子对通过表面，以证明它们已经被纠缠：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。

    所谓纠缠意味着对一个光子执行操作的同时会影响另一个光子，即使在远距离传播时也是如此。在量子力学中，光子被认为存在正自旋状态和负自旋状态。

    通过一个简单的类比，能够对此作出最好的解释：取两个盒子，里面各有两个球，一个红色和一个蓝色的球。如果两个盒子各自独立，那么每个盒子中都要可能拿出一个红色或蓝色的球。但是，如果盒子被缠住，那么盒子内的球可以是红色或蓝色，但只能在观察到一个盒子中的球时，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，他阐述了一只猫在一个盒子里的情景，这只猫既活着又死了，但是只有盒子被打开时才能确定。

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责任编辑：殷鹏飞

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