《自然》重磅！近场光子总角动量纠缠的突破性发现

传统上，对光子纠缠的理解和操控主要通过其内在属性，如偏振（与自旋角动量相关）和空间分布（与轨道角动量相关）来实现。然而，一项发表在《自然》杂志上题为“近场光子总角动量纠缠”（Near-field photon entanglement in total angular momentum）的突破性研究揭示了一种新的量子纠缠形式，这种纠缠源于近场区域（特别是在纳米光子系统中）中光子的总角动量（TAM）。这一发现不仅加深了我们对纳米尺度光与物质相互作用的基本理解，也为开发高度小型化和集成化的量子器件铺平了道路。

在傍轴光学领域，对光子角动量的传统理解涉及两个可分离的组成部分。自旋角动量（SAM）是与光的圆偏振相关的内在属性，每个光子沿其传播方向携带+ħ或-ħ的SAM。这种二元性使其成为编码量子比特的天然选择。另一方面，轨道角动量（OAM）与光束的螺旋相位结构相关，允许光子携带 ħ 的整数倍的 OAM。这为编码更高维度的量子数字（qudit）提供了可能性，从而可能提高量子系统的信息容量和鲁棒性。在远场区域，SAM 和 OAM 保持独立且可控，因此可以很容易地在两个光子的 SAM 之间、两个光子的 OAM 之间，甚至在单个光子的 SAM 和 OAM 之间诱导出纠缠。这些形式的纠缠已被广泛研究并应用于各种量子协议中。

然而，当我们进入纳米光子学的领域时，光学的图景会发生巨大的变化。在纳米光子学中，光被限制在与波长相当或更小的尺寸内。在这些高度受限的空间中，尤其是在近场区域——非常靠近纳米结构材料表面的区域——SAM 和 OAM 传统的独立性被打破了。强烈的空间限制以及光与纳米结构的复杂相互作用导致自旋和轨道自由度变得密不可分。因此，在这样的系统中，SAM 或 OAM 都不能单独作为描述光子状态的良好量子数。相反，总角动量（TAM），即自旋角动量和轨道角动量的矢量和，成为基本的守恒量和描述纳米环境中光子角动量状态的适当描述符。

为了在近场尺度下探索TAM纠缠，研究者采用了先进的纳米加工技术。通过设计纳米天线、等离激元波导、超构材料等纳米光子结构，科学家能够同时操控SAM和OAM。这些结构通过强耦合机制促进两者的相互作用，从而形成TAM纠缠态。

近场实验依赖于高灵敏度的探测方法，如近场扫描光学显微镜（NSOM），可在纳米尺度上解析电磁场的空间结构。此外，干涉测量和二光子关联测量技术被用于验证纠缠的存在。通过对TAM态进行投影和统计分析，实验者能确认非经典相关性的确存在于这些近场光子之间。

此次关于TAM近场纠缠的研究带来了若干重要成果：

• 首次实现TAM纠缠：实验验证了在近场区域，光子不仅可以通过SAM或OAM发生纠缠，更重要的是其总角动量状态也可以表现出纠缠行为，打破了传统角动量处理方式的局限。
• 纳米尺度的精准控制：研究证明，在极小尺度上可以对光子的量子态实现精确操控。这种微型化的量子控制方式为集成量子光子器件提供了重要支撑。
• 纠缠的鲁棒性：尽管近场环境更易受干扰，但此次实验中观测到的TAM纠缠状态表现出良好的稳定性和鲁棒性，为其在实际量子技术中的应用提供了保障。

这一发现对基础科学和技术应用都具有深远的意义。从基础科学的角度来看，它加深了我们对角动量（光的基本属性）在高度受限环境中的行为的理解。它突出了近场中自旋和轨道自由度之间复杂的相互作用，并强调了在纳米光子系统中将 TAM 视为主要量子数的重要性。这种新的纠缠形式也为探索新的量子现象和在以前无法触及的领域检验量子力学的边界开辟了道路。

在技术方面，近场光子总角动量纠缠的观察为片上量子信息处理的进步带来了巨大的希望。在纳米尺度器件内生成和操控纠缠光子的能力对于实现集成量子电路至关重要。将 TAM 用作量子信息编码的属性具有若干潜在优势。例如，近场中自旋角动量和轨道角动量之间的内在耦合可能导致新型的量子门和操作，而这些操作在远场中通过单独的 SAM 或 OAM 编码是难以实现的。此外，纳米光子系统的微型化潜力可能导致用于通信、计算和传感的高度紧凑和节能的量子器件。