3月30日,《中國(guó)科學(xué)報(bào)》獲悉,香港大學(xué)校長(zhǎng)張翔院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)了新型的納米超材料,在量子光學(xué)中引入一個(gè)新的自由度,從而首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子之間量子相互作用的任意操控,為量子科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)嶄新的思路。相關(guān)研究成果近日刊發(fā)于《自然—光子學(xué)》。
單個(gè)光子的量子態(tài)很容易被調(diào)控,但是如何有效控制光子之間的相互作用是量子光學(xué)研究的核心之一,也是實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)的最大困難之一。這是因?yàn)樵谖锢韺W(xué)中,光子是玻色子,玻色子的量子本性傾向于占據(jù)相同的空間和時(shí)間,聚集在一起,所以對(duì)于原本沒有直接相互作用的光子而言,它們之間只能通過量子干涉達(dá)到間接的等效相互吸引力。相反,費(fèi)米子是另一種粒子,比如電子,它們的量子本性傾向于彼此分離,通過量子干涉只能產(chǎn)生等效的相互排斥力。如果能夠有效控制光子之間的量子相互作用,實(shí)現(xiàn)從相互吸引到相互排斥,從而突破光子的玻色子本性,就可能有效地解決光量子技術(shù)應(yīng)用的一大難題。
之前的量子干涉研究只關(guān)注光子的量子本性,而忽略了核心器件的屬性。張翔團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了一個(gè)新概念,即核心器件的屬性和光子的量子本性在某些場(chǎng)合是不可區(qū)分的,從而可以等效地相互轉(zhuǎn)化。也就是說,原理上可以通過人工設(shè)計(jì)量子器件的屬性作為新自由度,等效地改變光子的量子本性。
沿著這個(gè)思路,張翔團(tuán)隊(duì)將納米超材料的空間旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)計(jì)為光子量子相互作用的新自由度,通過旋轉(zhuǎn)納米超材料或者改變單光子的偏振,實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)和動(dòng)態(tài)地控制雙光子的量子干涉,從而等效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子量子本性和光子之間量子相互作用的任意操控。這使得光子可以表現(xiàn)得有時(shí)像玻色子,有時(shí)又像費(fèi)米子,或者介于兩者之間的任意狀態(tài),從而超越了光子固有的玻色子本性。這種新穎的思路為實(shí)現(xiàn)光量子技術(shù)提供了新前景。
在應(yīng)用層面,這種新型納米超材料對(duì)光量子過程的控制功能,超越了現(xiàn)有的光學(xué)器件或系統(tǒng)。這種新的控制方式,好比給兩個(gè)單光子之間的量子相互作用制作了一個(gè)連續(xù)可調(diào)器。只要在量子網(wǎng)絡(luò)中加入少數(shù)這樣或類似的可調(diào)器,就可以極大增強(qiáng)量子網(wǎng)絡(luò)的功能。與此同時(shí),納米超材料設(shè)計(jì)也將為研發(fā)高效的光量子邏輯門以及其他量子器件和系統(tǒng)提供新的解決方案。
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