摘要：这种奇特的联系最初是在阿尔伯特·爱因斯坦指出他所谓的“远距离幽灵行为”时出现的，他认为这种奇特的行为与直觉的因果观点相矛盾。

研究人员长期以来一直在研究量子纠缠，以了解光子如何瞬间相互影响。

这种奇特的联系最初是在阿尔伯特·爱因斯坦指出他所谓的“远距离幽灵行为”时出现的，他认为这种奇特的行为与直觉的因果观点相矛盾。

围绕这些现象的讨论已经持续了几十年。

现在，来自以色列理工学院的博士生Amit Kam和Shai Tsesses 博士正在通过探索占据极其狭小空间的光子中令人惊讶的效应，为这个故事增添新的转折。

理解量子纠缠

量子纠缠是一种奇怪但非常真实的现象，其中两个粒子以这样一种方式联系在一起，即使相隔很远，它们的状态也会相互依赖。

想象一下，你拿了一副手套，把其中一只放进一个盒子里，然后把它送到宇宙的另一端。当你打开盒子，看到左边的手套时，你立刻就知道另一个盒子里有右边的手套。

纠缠粒子的情况类似，但更加奇特。不同之处在于，与从一开始就拥有明确身份的手套不同，纠缠粒子只有在被测量后才会“决定”自己的状态。而且一旦其中一个粒子确定了状态，另一个粒子就会立即做出反应，无论它们相距多远。

爱因斯坦从未完全接受量子纠缠，因为它似乎打破了没有任何东西可以比光传播得更快的规则。

但实验一次又一次地证明它是真实存在的。没有隐藏信号，没有延迟，只有即时关联。

纠缠的起源

爱因斯坦与鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森合作创作了一个挑战现有观念的经典谜题。

他们的 EPR 论文有助于激发人们更深入地研究一个粒子如何能够在很远的距离内瞬间影响另一个粒子，这一现象甚至让经验丰富的物理学家感到困惑。

多年后，这个想法随着量子隐形传态进入了实践阶段，

量子隐形传态是由查尔斯·贝内特 (Charles Bennett)、吉尔斯·布拉萨德 (Gilles Brassard) 和阿舍尔·佩雷斯 (Asher Peres) 概念化的。

这为依赖于只有在量子世界中才可能存在的奇异关联的量子通信协议打开了大门。

微小的光子空间揭示了

推动设备小型化不仅仅是为了节省空间。缩小基于光的组件尺寸可以增强光子与附近材料之间的相互作用，这或许能带来更大规模系统无法实现的应用。

纳米级环境中的光子展现出新的特性组合。科学家们不再关注单独的自旋和轨道分量，而是关注总角动量，它将这两个特性合并为一个量。

小空间中的奇异光子行为

大多数人想象光束自由扩散，但这些实验将光子限制在比人类头发厚度千分之一还小的结构中。

这种限制迫使光的角度分量以意想不到的方式重叠，从而改变每个光子携带信息的方式。

这些观察结果可能为新型量子设备带来希望。

研究人员提出，总角动量纠缠可能使量子计算或通信链路的硬件比以前认为的更加紧凑。

不同类型的量子纠缠

光子纠缠的几种形式涉及方向、频率或偏振等独立特性。相比之下，总角动量则将多种特性整合到一个单一的描述中。

只有当研究人员测试光子对通过精心设计的纳米级通道时的行为时，这种新结构的证据才浮出水面。

结果暗示相关性与更大环境中的传统纠缠结构并不相似。

这为什么重要？

研究基于光子的技术的人员旨在构建更高效的设备，利用量子效应实现更快的计算或隐秘的信息交换。

更小的组件可以在单个芯片上实现更多的操作，这与电子领域的当前趋势非常相似。

虽然一些量子方法侧重于已建立的粒子属性，但这项工作表明总角动量可能是一种尚未开发的资源。

以色列理工学院的科学家所探索的微型系统可能提供新的方法来编码和处理数据，而不会占用太多空间。

光子控制和后续步骤

即使在传统系统中，纠缠光子也对环境干扰极其敏感。

将光线限制在狭小的空间内可以放大这些效应，因此这些装置背后的工程必须解决潜在的损失或干扰。

研究人员还想确认总角动量纠缠在现实条件下是否表现可靠。

在这些纳米级实验的新数据的指导下，对材料和设备架构的研究正在进行中。

这与爱因斯坦有何关联

爱因斯坦对即时影响的怀疑并没有阻止科学界探索量子理论的新领域。

2022 年诺贝尔物理学奖表彰了影响我们如何测量和解释纠缠的关键贡献。

如今，焦点已转向下一代实验，这些实验将这些相关性推向越来越小的空间。

通过将光子压缩到低于其典型波长的结构中，科学家希望发现超越熟悉的光学行为的可能性。

接下来会发生什么？

量子研究的每一步都会引发关于自然如何编码信息的问题。

将自旋和轨道合并为一个总角动量的概念表明了人们对光的思考发生了转变，特别是当设备必须保持较小尺寸时。

进一步的研究可能会将这些发现转化为商业产品。

许多专家预见到光子将在计算任务中取代电子，从而实现更快的速度和更少的热量耗散。这种新的纠缠特性可能成为解开这一谜题的关键一环。

该研究发表在《自然》杂志上。

来源：涵馥虞