研究人员发现新型量子纠缠

以色列理工学院的一项研究揭示了纳米尺度结构中受限光子总角动量中存在一种新发现的量子纠缠形式。这一发现可能在未来量子通信和计算元件的小型化中发挥关键作用。

量子物理学有时会带来非常规的预测。正如阿尔伯特·爱因斯坦与其同事鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森（后两位后来成为以色列理工学院物理学院创始人）发现的情景：无论相隔多远，了解一个粒子的状态会立即影响另一个粒子的状态。他们1935年的历史性论文以三位作者姓氏首字母被冠以"EPR悖论"之名。

爱因斯坦认为，无需物理相互作用和信息传递，仅通过了解一个粒子的状态就能影响遥远距离外的另一个粒子是荒谬的，他称这种现象为"鬼魅般的超距作用"。

但以色列理工学院另一位物理学院研究教授阿舍·佩雷斯的开创性工作表明，这一特性可用于隐形传输信息——即量子隐形传态，这构成了量子通信的基础。该发现由佩雷斯教授与同事查尔斯·本内特、吉勒·布拉萨德共同完成。

这一现象后被正式命名为量子纠缠。因其在量子计算和量子通信领域的测量与潜在应用，2022年诺贝尔物理学奖授予了阿兰·阿斯佩教授、安东·蔡林格教授（两位此前均获以色列理工学院荣誉博士学位）及其同事约翰·克劳泽教授。

迄今为止，量子纠缠已在多种粒子及其不同性质中得到验证。对于光子（光的粒子）而言，其传播方向、频率（颜色）、电场指向等特性均可产生纠缠。甚至在更抽象的角动量等特性中也存在纠缠现象。

光子的角动量分为自旋（与电场旋转相关）和轨道（与空间中的旋转运动相关）。这类似于地球既自转又绕太阳公转的运动方式。

对于波长远小于光束直径的光子，这两种旋转特性可被视作独立量。但当光子被限制在亚波长尺度的纳米结构中（纳米光子学的研究方向），不同旋转特性将无法分离，此时光子仅由单一物理量——总角动量来表征。

为何要将光子限制在如此微小的结构中？主要原因有二：其一是显而易见的器件小型化需求，这类似于电子电路的微型化进程，可使光器件在更小空间内完成更多操作；其二是更关键的因素——微型化能显著增强光子与材料间的相互作用，从而产生常规尺度下无法实现的物理现象和应用。

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在纳米尺度系统中，两个光子在其总角动量方面发生转换，形成纠缠态。

在《自然》杂志发表的这项研究中，以色列理工学院博士生阿米特·卡姆和沙伊·采西斯博士领导的团队发现：在头发丝千分之一大小的纳米系统中，光子可通过总角动量（而非传统自旋或轨道角动量）实现量子纠缠。

研究团队揭示了光子从进入纳米系统到离开测量系统的全过程，发现这一过程拓展了光子可能存在的状态空间。通过系列测量，研究人员绘制出相关状态图，利用纳米系统特有的属性实现纠缠，并证实了光子对之间的量子关联特征。

这是20余年来首次发现的新型量子纠缠，未来或将推动基于光子的量子通信与计算元件的创新设计，并实现显著的微型化突破。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-025-08761-1