3月30日，《中國科學報》獲悉，香港大學校長張翔院士團隊研發了新型的納米超材料，在量子光學中引入一個新的自由度，從而首次實現了對光子之間量子相互作用的任意操控，為量子科學和技術的發展提供了一個嶄新的思路。相關研究成果近日刊發于《自然—光子學》。
單個光子的量子態很容易被調控，但是如何有效控制光子之間的相互作用是量子光學研究的核心之一，也是實現量子技術的最大困難之一。這是因為在物理學中，光子是玻色子，玻色子的量子本性傾向于占據相同的空間和時間，聚集在一起，所以對于原本沒有直接相互作用的光子而言，它們之間只能通過量子干涉達到間接的等效相互吸引力。相反，費米子是另一種粒子，比如電子，它們的量子本性傾向于彼此分離，通過量子干涉只能產生等效的相互排斥力。如果能夠有效控制光子之間的量子相互作用，實現從相互吸引到相互排斥，從而突破光子的玻色子本性，就可能有效地解決光量子技術應用的一大難題。
之前的量子干涉研究只關注光子的量子本性，而忽略了核心器件的屬性。張翔團隊創造性地提出了一個新概念，即核心器件的屬性和光子的量子本性在某些場合是不可區分的，從而可以等效地相互轉化。也就是說，原理上可以通過人工設計量子器件的屬性作為新自由度，等效地改變光子的量子本性。
沿著這個思路，張翔團隊將納米超材料的空間旋轉自由度設計為光子量子相互作用的新自由度，通過旋轉納米超材料或者改變單光子的偏振，實驗上首次實現了連續和動態地控制雙光子的量子干涉，從而等效地實現了對光子量子本性和光子之間量子相互作用的任意操控。這使得光子可以表現得有時像玻色子，有時又像費米子，或者介于兩者之間的任意狀態，從而超越了光子固有的玻色子本性。這種新穎的思路為實現光量子技術提供了新前景。
在應用層面，這種新型納米超材料對光量子過程的控制功能，超越了現有的光學器件或系統。這種新的控制方式，好比給兩個單光子之間的量子相互作用制作了一個連續可調器。只要在量子網絡中加入少數這樣或類似的可調器，就可以極大增強量子網絡的功能。與此同時，納米超材料設計也將為研發高效的光量子邏輯門以及其他量子器件和系統提供新的解決方案。（韓揚眉）
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