作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 由研究人员开发的描绘元曲面的艺术插图
信用:里夫卡·贝肯斯坦
亚表面是在纳米尺度上设计的人造材料，可以以极高的精度控制光的散射
在过去十年左右的时间里，这些材料被用来制造各种各样的技术工具，从传感器到镜头和成像技术
哈佛大学米哈伊尔·卢金领导的一个研究小组最近提出了一种新型的亚表面，它可以控制透射光和反射光的时空和量子特性
在发表在《自然物理学》上的一篇论文中，该团队表明实现量子亚表面是可能的，并且可以通过纠缠薄原子阵列对光的宏观响应来实现
“量子亚表面是一种由原子设计的全新类型的材料，它能够实现光子量子计算等应用，”最近这篇论文的主要作者里夫卡·贝肯斯坦告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“我们结合了最先进的技术，通过长程相互作用来操纵许多原子的状态(我
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里德堡相互作用)，最近发现了单个原子如何反射光
我们确定了一种可以在实验室中实现的结构，其中单层原子可以充当可切换的量子镜
" 作为他们研究的一部分，贝肯斯坦和她的同事回顾了不同的量子亚表面，这些亚表面可以被控制成具有不同的光散射特性
量子技术发展最突出的来源之一是纠缠态，这是一种只存在于量子实体中的独特态
研究人员提出的量子超材料能够产生许多光粒子的特定纠缠态(即
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光子)，这对量子信息处理应用特别有价值
在某些环境条件下，利用外部电场可以操纵原子变得透明
最近的研究还表明，一片原子可以反射光，就像一面普通的镜子
通过利用原子系统中自然发生的里德堡相互作用，贝肯斯坦和她的同事们能够确定一种方案，其中单层原子以量子叠加的方式同时反射和透射光
换句话说，产生的量子元表面可以变得透明，并像镜子一样反射光线
叠加态下量子亚表面散射示意图
信用:Bekenstein等人
“在量子力学中，实体可以共存于不同的状态——这被称为叠加态，”贝肯斯坦说
“我们的量子元表面是一种新型材料，可以让光在两个不同的方向共存
这是通过操纵原子的状态，然后用微弱的激光从原子中散射出来来实现的
" 贝肯斯坦和她的同事采用的设计策略在不同的亚表面和光之间，以及单个光粒子之间引入了量子纠缠
值得注意的是，他们提出的体系结构也可以被操纵，以使纠缠态中的光子数量发生变化，这对于包括量子计算在内的大多数量子应用来说是一种至关重要的能力
通过一系列定量计算，研究人员分析了它们的亚表面如何实现原子和光子之间的量子操作，从而产生非常适合量子信息处理应用的高度纠缠光子态
贝肯斯坦说:“我们架构的一个关键优势是，在实验室中，只需要准备一个处于量子叠加态的原子。”
“数百个原子构成了量子元表面，但只有一个原子需要在量子力学层面上被操纵，这使得这个提议变得切实可行
这是由于我们在该方案中利用的长程相互作用，这种相互作用自然存在于特定能级的原子中
" 值得注意的是，贝肯斯坦和她的同事最近的研究引入了一种技术，可以对宏观材料对光的响应进行量子控制
这项技术可以为开发一种全新的量子材料铺平道路，同时也有可能彻底改变目前对量子光学材料及其对光的响应的理解
“我们目前正在探索额外的实验系统，可以实现我们提出的量子元表面，”贝肯斯坦说
“我们还对揭示这些量子亚表面对光的非线性响应感兴趣，这种非线性响应发生在高强度光束中
最后，我们正在研究所提出的量子元表面在量子信息处理中的具体实际应用
"
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