通過幫助科學家控制一種奇怪但有用的量子力學現象，一種超薄的發明可以使未來的計算、傳感和加密技術明顯地更小、更強大。最近發表在《科學》雜誌上的一項新研究對該設備進行了描述。

據美國桑迪亞國家實驗室和馬克斯-普朗克光科學研究所的科學家們稱，這種裝置可以取代一屋子的設備，在一種被稱為糾纏的奇異量子效應中把光子聯繫起來。它是一種被稱為元表面的納米工程材料，為以復雜的方式糾纏光子舖平了道路，而這在緊湊的技術中是不可能的。

當光子被說成是糾纏在一起時，這意味著它們以這樣一種方式聯繫在一起，即對一個光子的行動會影響到另一個光子，無論這些光子在宇宙中處於什麼位置或相隔多遠。這是量子力學的一種怪異效應，是支配粒子和其他非常微小事物的物理學定律。

儘管這種現象可能看起來很奇怪，但研究人員已經利用它以新的方式處理信息。例如，糾纏有助於保護脆弱的量子信息和糾正量子計算中的錯誤，這個領域有朝一日可能會對科學、金融和國家安全產生全面影響。糾纏還能為安全通信提供先進的新加密方法。

這個突破性的裝置的厚度只有一張紙的百分之一，其研究部分是在綜合納米技術中心進行的，該中心是美國能源部科學辦公室的用戶設施，由桑迪亞和洛斯阿拉莫斯國家實驗室運營。桑迪亞的團隊得到了科學辦公室基礎能源科學項目的資助。

新的元表面充當了這種不尋常的量子現象的“門戶”。在某些方面，它就像劉易斯·卡羅爾的《愛麗絲鏡中奇遇記》中的鏡子，年輕的主人公愛麗絲通過它經歷了一個奇怪的新世界。

科學家們不是通過他們的新設備行走，而是用激光照射它。光束穿過一個超薄的玻璃樣品，上面覆蓋著由一種叫做砷化鎵的普通半導體材料製成的納米級結構。

“它擾亂了所有的光場，”桑迪亞高級科學家Igal Brener說。他是一個叫做非線性光學領域的專家，並領導桑迪亞團隊。他說，偶爾會有一對不同波長的糾纏光子從樣品中出現，與進入的激光束方向相同。

Brener說，他對這個裝置充滿熱情，因為它被設計用來產生復雜的糾纏光子網。它不是一次只產生一對，而是可以產生幾對都糾纏在一起的光子，還有一些可以彼此不分。一些技術需要這些複雜的所謂多糾纏品種來實現複雜的信息處理方案。

儘管其他基於矽光子學的微型技術也能糾纏光子，但它們缺乏非常需要的複雜的多糾纏水平。直到現在，產生這種結果的唯一方法是使用充滿激光器、專門的晶體和其他光學設備的多個桌子。

Brener表示：“當這種多糾纏需要超過兩或三對時，它是相當複雜的，有點難以解決。這些非線性元表面基本上在一個樣品中實現了這一任務，而以前這需要令人難以置信的複雜的光學設置。”

《科學》論文概述了該團隊如何成功地調整他們的元表面，以產生具有不同波長的糾纏光子。這是同時產生幾對錯綜複雜的糾纏光子的關鍵前兆。

然而，科學家們在他們的論文中指出，他們的設備的效率–他們能夠產生糾纏光子組的速度–低於其他技術，將需要加以改進。

什麼是元表面？

元表面是一種合成材料，它以傳統材料無法做到的方式與光和其他電磁波互動。Brener說，商業行業正忙於開發元表面，因為它們佔用的空間更少，而且比傳統的透鏡能對光做更多的事。

“你現在可以用元表面代替透鏡和厚的光學元件，”Brener說。“這些類型的元表面將徹底改變消費產品。”

桑迪亞國家實驗室是世界上進行超表面和超材料研究的領先機構之一。在其製造化合物半導體的微系統工程、科學和應用綜合體以及附近的綜合納米技術中心之間，科學家們可以獲得他們設計、製造和分析這些雄心勃勃的新材料所需的所有專業工具。

桑迪亞的前博士後研究員Sylvain Gennaro說：“這項工作具有挑戰性，因為它需要精確的納米加工技術來獲得尖銳的窄帶光學共振，這些共振是這項工作的量子過程的種子，”他參與了該項目的幾個方面。

該裝置是通過桑迪亞和物理學家Maria Chekhova領導的研究小組之間的合作來設計、製造和測試。她是馬克斯-普朗克光科學研究所的光子量子糾纏方面的專家。

Tomás Santiago-Cruz說：“元表面正在導致量子光學的範式轉變，將超小的量子光源與量子態工程的深遠可能性相結合。”他是馬克斯-普朗克團隊的成員，也是該論文的第一作者。

研究超材料十多年的Brener說，這項最新的研究可能會引發第二次革命–看到這些材料不僅作為一種新的透鏡，而且作為一種技術用於量子信息處理和其他新的應用。他表示：“有一波元表面技術已經很成熟了，而且正在進行中。也許還有第二波創新應用即將到來。”