奈米光子中發現新量子糾纏現象
以色列理工學院近期研究發現，在奈米結構內，光子總角動量存在著一種新型量子糾纏形式，此發現有助於未來量子通訊與量子計算元件設計與微小化。
量子物理有時會產生反直覺的預測。正如愛因斯坦與同事波多斯基（Boris Podolsky）以及羅森（Nathan Rosen , 以色列理工學院物理系創辦人）共同發表的論文中提到，糾纏這個能讓資訊瞬間比光速更快的傳播概念表示保留，抱持懷疑態度，這種一個粒子狀態會影響另一個遙遠粒子狀態的現象，被稱為「鬼魅似的遠距作用」，該理論隨後被稱為 EPR 悖論 。隨後，另一名以色列理工學院物理學院教授 Asher Peres的開創性研究證明，這種特性其實可被用來隱密地傳輸訊息，也就是所謂的量子隱形傳態，成為量子通訊的理論基礎。該理論由 Asher Peres教授與 Charles Bennett 與 Gilles Brassard等人共同提出，日後正式命名為「量子糾纏」，為後續量子測量、計算與通訊研究帶來深遠影響，2022年諾貝爾物理學獎頒發給了獲得以色列理工學院榮譽博士的Alain Aspect、Anton Zeilinger及John Clauser教授。今日，多種粒子及其不同特性的量子糾纏已被證實。對於光子而言，糾纏可出現在傳播方向、頻率（顏色）、電場指向等性質上，也可能表現在角動量等較難直觀想像的屬性中。光子的角動量可分為自旋（對應於光子繞電場的旋轉）與軌道角動量（對應於光子在空間的旋轉運動），可類比到地球自轉與公轉。當光子被限制在遠大於其波長的光束時，這兩種旋轉特性近乎可以獨立看待。然而，當我們嘗試將光子導入比其波長還小的奈米結構時，會發現兩種旋轉特性無法分離，光子僅能以「總角動量」作為其主要特徵。然而，為何要將光子限制在微小結構中呢？第一是能促進光學元件微小化，有助於在極小面積內進行操作，這點類似電子元件微型化。而另一個更重要的原因是，能夠提升光子與周遭物質的相互作用強度，進而實現許多在傳統尺度下難以觀察到的新現象與新應用。
由以色列理工學院博士生 Amit Kam 與 Shai Tsesses 博士帶領的團隊發現，在只有人類髮絲千分之一大小的奈米系統內，光子間可產生量子糾纏，而且這種糾纏並非依靠傳統的光子自旋或光子軌跡，而是僅藉由總角動量實現，該研究成果近期發表於《自然》期刊。研究團隊探討了在奈米光子系統中光子總角動量的量子糾纏現象，並且利用了金與空氣介面上的表面電漿極化子(surface plasmon polaritons, SPPs) 進行研究。論文比較了總角動量糾纏（在自旋與軌道角動量無法分離的近場區域具有意義）與傳統傍軸區域中可分離分量（自旋角動量與軌道角動量）糾纏的差異。研究團隊運用量子成像技術，測量由奈米光子平台散射出的糾纏光子對之間的非經典相關，並根據初始光子狀態觀察到不同的關聯結構。研究結論指出，總角動量的糾纏會顯著影響近場中光子的相關性， 這是過去二十年來首次發現新型量子糾纏現象，有望在未來以總角動量作為編碼特徵，實現以基於光子的全新量子通訊與計算元件，並且可幫助推動元件微型化。
資料來源：
- https://www.technion.ac.il/en/blog/article/technion-researchers-discover-a-new-type-of-quantum-entanglement/
- 參考論文：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08761-1
