來自以色列理工學院(Technion)的科研團隊，藉由其突破性研究開拓了一個嶄新的研究領域—量子超穎材料(Quantum Metamaterial)。該研究團隊分別是由物理系固態所的特聘教授 Mordechai Segev與電機系教授ErezHasman帶領，相關研究成果已於國際知名期刊「科學」發表。

隨著科技的發展，科學家已經能在各式各樣的材料上建造奈米級微型結構。這些微型結構除了單純地增加材料表面積之外， 有一些甚至能改變材料與電磁波的交互作用。這造就了一個近年來相當熱門的研究領域—超穎材料(Metamaterial)，專指材料的物理性質(大多為電磁學上的特質)並不只是源自於物質本身，也來於自其上設計的重複微型結構陣列。其中二維的超穎材料被稱作超穎介面(Metasurface)，會在很薄的材料表面設計，並建造次波長大小的重複微型結構陣列，以影響材料的光學(電磁波)性值。

Mordechai Segev和ErezHasman兩位教授介紹他們的研究：我們最大的突破是把超穎材料運用到量子光學與量子信息領域。以現今的科技，我們有能力設計並打造具有各式各樣特異電磁性質的超穎材料，比方說在雷達上遮蔽物件的隱形斗篷，或是折射率為負值的材料，但這些超穎材料的作用對象都是傳統光源。而我們設計出的超穎材料能夠產生並控制量子光，並且能夠產生量子糾纏現象，這使得該材料能運用到量子信息領域。

研究中的最大關鍵是我們獨特的介電超穎介面，它會對左右旋偏振光分別施以相反的phase front，使之成為逆時鐘或順時鐘螺旋。這個超穎介面的基材必須要可以透光，如果換作是一般超穎材料常用的金屬基材，我們將無法觀察到量子現象。有趣的是，這個構想是來自於兩位很有天分的學生TomerStav和ArkadyFaerman的點子。整個研究成果除了在基礎科學上衍生出更多的新研究方向，也深具應用潛力。比方說可在晶片上建立量子信息系統，並透過超穎介面的設計來調控不同的量子性質。

團隊用兩個不同的實驗來證實量子糾纏現象的發生。他們測量的是光子(photon)間的自旋角動量 (spin angular momentum)與軌域角動量(orbital angular momentum)糾纏。光子是以光速移動且質量為零的基本粒子，它同時具有正和負的自旋態(spin state)，但在測量上，只可能測出正值或負值其中之一。而所謂的量子糾纏，是指對一基本粒子(此處即為光子)進行操作或測量時，會即時影響另一光子的狀態，無論這兩光子間距離多遠。

我們可以用一個簡單的例子來圖像化量子糾纏現象：在兩個箱子中分別有紅色球及藍色球各一，而我們能知道兩個箱子中球的顏色的唯一手段是從中各取一個出來看看。在正常狀況下，我們在兩個箱子中取出紅色球或藍色球的機率是不會互相影響的。當在第一個箱子取出的是紅色球時，在第二個箱子取出紅色球的機率是百分之五十。但當這兩個箱子彼此糾纏時，一旦我們在第一個箱子取出的是紅色球時，我們在第二個箱子取出的球會百分之百為其中的一個顏色。

團隊首先把一道雷射光通過非線性晶體(non-linear crystal)來產生一對光子，它們的軌域角動量為零且被線性偏振(linear polarizated)，具有左右旋偏振光性質。光子的左旋與右旋分別對應到其自旋角動量的負值與正值。在第一個實驗裡，團隊分開這一對光子，其中一個會先通過他們設計的超穎介面再通向偵測儀器，另一個則直接通向偵測儀器。根據測量結果，有通過超穎介面的光子其軌域角動量不再為零，這證實了自旋角動量與軌域角動量間的糾纏。在第二個實驗，這一對光子皆通過超穎介面再分別以兩個偵測器監測其個別的自旋角動量，證實了兩個光子間的自旋角動量會相互影響，即量子糾纏現象的發生。

原文出處： https://www.technion.ac.il/en/2018/09/the-dawn-of-quantum-metamaterials/

譯者：馮嘉樹