本报讯（记者韩扬眉）3月30日，《中国科学报》获悉，香港大学校长张翔院士团队研发了新型的纳米超材料，在量子光学中引入一个新的自由度，从而首次实现了对光子之间量子相互作用的任意操控，为量子科学和技术的发展提供了一个崭新的思路。相关研究成果近日刊发于《自然—光子学》。

单个光子的量子态很容易被调控，但是如何有效控制光子之间的相互作用是量子光学研究的核心之一，也是实现量子技术的最大困难之一。这是因为在物理学中，光子是玻色子，玻色子的量子本性倾向于占据相同的空间和时间，聚集在一起，所以对于原本没有直接相互作用的光子而言，它们之间只能通过量子干涉达到间接的等效相互吸引力。相反，费米子是另一种粒子，比如电子，它们的量子本性倾向于彼此分离，通过量子干涉只能产生等效的相互排斥力。如果能够有效控制光子之间的量子相互作用，实现从相互吸引到相互排斥，从而突破光子的玻色子本性，就可能有效地解决光量子技术应用的一大难题。

之前的量子干涉研究只关注光子的量子本性，而忽略了核心器件的属性。张翔团队创造性地提出了一个新概念，即核心器件的属性和光子的量子本性在某些场合是不可区分的，从而可以等效地相互转化。也就是说，原理上可以通过人工设计量子器件的属性作为新自由度，等效地改变光子的量子本性。

沿着这个思路，张翔团队将纳米超材料的空间旋转自由度设计为光子量子相互作用的新自由度，通过旋转纳米超材料或者改变单光子的偏振，实验上首次实现了连续和动态地控制双光子的量子干涉，从而等效地实现了对光子量子本性和光子之间量子相互作用的任意操控。这使得光子可以表现得有时像玻色子，有时又像费米子，或者介于两者之间的任意状态，从而超越了光子固有的玻色子本性。这种新颖的思路为实现光量子技术提供了新前景。

在应用层面，这种新型纳米超材料对光量子过程的控制功能，超越了现有的光学器件或系统。这种新的控制方式，好比给两个单光子之间的量子相互作用制作了一个连续可调器。只要在量子网络中加入少数这样或类似的可调器，就可以极大增强量子网络的功能。与此同时，纳米超材料设计也将为研发高效的光量子逻辑门以及其他量子器件和系统提供新的解决方案。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00762-6