本報(bào)訊（記者韓揚(yáng)眉）3月30日，《中國科學(xué)報(bào)》獲悉，香港大學(xué)校長張翔院士團(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)和動態(tài)地控制雙光子的量子干涉，從而等效地實(shí)現(xiàn)了對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。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00762-6