新的量子研究揭示瞭如何掌握量子光

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洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一組科學家提出，調製的量子超表面可以控制光子量子位的所有特性，這一突破可能會影響量子資訊、通訊、感測和成像領域，以及能量和動量收集領域。他們的研究結果昨天發表在美國物理學會出版的《物理評論快報》雜誌上。

“人們研究經典超表面很長時間了，”在實驗室理論部凝聚態物質和複雜系統小組工作的 Diego Dalvit 說。“但我們提出了這個新想法，即在時間和空間上調製量子超表面的光學特性，使我們能夠按需操縱單個光子的所有自由度，這是最基本的單位的光。”

超表面是超薄結構，可以以自然界中不常見的方式操縱光。在這種情況下，該團隊開發了一種看起來像旋轉十字陣列的超表面，然後他們可以用鐳射或電脈衝對其進行操縱。然後他們提議透過超表面發射單個光子，在那裡光子分裂成許多顏色、路徑和自旋狀態的疊加，它們都交織在一起，產生所謂的量子糾纏——這意味著單個光子能夠繼承所有這些不同的屬性一次。

“當用鐳射或電脈衝調製超表面時，人們可以控制折射單光子的頻率，改變其軌跡角度、電場方向以及扭曲，”該中心的 Abul Azad 說。實驗室材料物理和應用部門的整合奈米技術。

透過操縱這些特性，這項技術可用於對在量子網路中傳播的光子中的資訊進行編碼，包括銀行、量子計算機以及地球和衛星之間的一切。編碼光子在密碼學領域特別受歡迎，因為“竊聽者”無法在不改變其基本物理原理的情況下檢視光子，如果這樣做會提醒傳送者和接收者資訊已被洩露。

研究人員還在研究如何透過調製量子超表面來從真空中提取光子。

“量子真空不是空的，而是充滿了轉瞬即逝的虛擬光子。透過調製的量子超表面，人們能夠有效地提取虛擬光子並將其轉換為真實的光子對，”在該實驗室理論部門工作的威爾頓·科特-坎普 （Wilton Kort-Kamp） 說。凝聚態和複雜系統組。

利用真空中存在的光子並向一個方向發射它們應該會產生相反方向的推進力。類似地，攪拌真空應該從扭曲的光子中產生旋轉運動。結構化的量子光有朝一日可以用於產生機械推力，只使用微量的能量來驅動超表面。