新的量子研究揭示了如何掌握量子光

洛斯阿拉莫斯国家实验室的一组科学家提出，调制的量子超表面可以控制光子量子位的所有特性，这一突破可能会影响量子信息、通信、传感和成像领域，以及能量和动量收集领域。他们的研究结果昨天发表在美国物理学会出版的《物理评论快报》杂志上。

“人们研究经典超表面很长时间了，”在实验室理论部凝聚态物质和复杂系统小组工作的 Diego Dalvit 说。“但我们提出了这个新想法，即在时间和空间上调制量子超表面的光学特性，使我们能够按需操纵单个光子的所有自由度，这是最基本的单位的光。”

超表面是超薄结构，可以以自然界中不常见的方式操纵光。在这种情况下，该团队开发了一种看起来像旋转十字阵列的超表面，然后他们可以用激光或电脉冲对其进行操纵。然后他们提议通过超表面发射单个光子，在那里光子分裂成许多颜色、路径和自旋状态的叠加，它们都交织在一起，产生所谓的量子纠缠——这意味着单个光子能够继承所有这些不同的属性一次。

“当用激光或电脉冲调制超表面时，人们可以控制折射单光子的频率，改变其轨迹角度、电场方向以及扭曲，”该中心的 Abul Azad 说。实验室材料物理和应用部门的集成纳米技术。

通过操纵这些特性，这项技术可用于对在量子网络中传播的光子中的信息进行编码，包括银行、量子计算机以及地球和卫星之间的一切。编码光子在密码学领域特别受欢迎，因为“窃听者”无法在不改变其基本物理原理的情况下查看光子，如果这样做会提醒发送者和接收者信息已被泄露。

研究人员还在研究如何通过调制量子超表面来从真空中提取光子。

“量子真空不是空的，而是充满了转瞬即逝的虚拟光子。通过调制的量子超表面，人们能够有效地提取虚拟光子并将其转换为真实的光子对，”在该实验室理论部门工作的威尔顿·科特-坎普 (Wilton Kort-Kamp) 说。凝聚态和复杂系统组。

利用真空中存在的光子并向一个方向发射它们应该会产生相反方向的推进力。类似地，搅拌真空应该从扭曲的光子中产生旋转运动。结构化的量子光有朝一日可以用于产生机械推力，只使用微量的能量来驱动超表面。