En studie från Technion avslöjar en nyupptäckt form av kvantsammanflätning i det totala vinkelmomentet hos fotoner som är inneslutna i strukturer i nanoskala. Denna upptäckt kan spela en nyckelroll i den framtida miniatyriseringen av kvantkommunikation och datorkomponenter.
Kvantfysiken leder ibland till mycket okonventionella förutsägelser. Detta var vad som hände när Albert Einstein och hans kollegor Boris Podolsky och Nathan Rosen (som senare grundade den fysiska fakulteten vid Technion) fann ett scenario där kunskap om en partikels tillstånd omedelbart påverkar den andra partikelns tillstånd, oavsett hur stort avståndet mellan dem är. Deras historiska artikel från 1935 fick smeknamnet EPR efter de tre författarna (Einstein-Podolsky-Rosen).
Tanken att kunskap om en partikels tillstånd skulle kunna påverka en annan partikel som befinner sig på ett stort avstånd från den, utan fysisk interaktion och informationsöverföring, verkade absurd för Einstein, som kallade det ”spöklik verkan på avstånd”.
Men ett banbrytande arbete av en annan Technion-forskare, forskningsprofessor Asher Peres från den fysiska fakulteten, visade att denna egenskap kan användas för att överföra information på ett dolt sätt -kvantteleportering, som är grunden för kvantkommunikation. Upptäckten gjordes av professor Peres tillsammans med hans kollegor Charles Bennett och Gilles Brassard.
Fenomenet fick senare det vetenskapliga namnet quantum entanglement, och för dess mätning och konsekvenser, som inkluderar möjligheten till kvantdatorer och kvantkommunikation, tilldelades 2022 års Nobelpris i fysik till professorerna Alain Aspect och Anton Zeilinger. Alain Aspect och Anton Zeilinger, som tidigare erhållit hedersdoktorat från Technion, och deras kollega Prof. John Clauser.
Kvantsammanflätning har hittills påvisats för en mängd olika partiklar och för deras olika egenskaper. För fotoner, ljuspartiklar, kan sammanflätning finnas för deras färdriktning, frekvens (färg) eller den riktning som deras elektriska fält pekar. Det kan också gälla egenskaper som är svårare att föreställa sig, t.ex. rörelsemängdsmoment (angular momentum).
Denna egenskap delas in i spinn, som är relaterat till fotonens rotation av det elektriska fältet, och bana, som är relaterat till fotonens rotationsrörelse i rymden. Detta liknar intuitivt jorden, som roterar runt sin axel och även kretsar runt solen i en cirkelbana.
Det är lätt för oss att föreställa oss dessa två rotationsegenskaper som separata storheter, och fotonerna binds faktiskt i en ljusstråle som är mycket bredare än deras våglängd. Men när vi försöker placera fotoner i strukturer som är mindre än den fotoniska våglängden – vilket är vad nanofotonikområdet strävar efter – upptäcker vi att det är omöjligt att separera de olika rotationsegenskaperna, och fotonen kännetecknas av en enda storhet, det totala rörelsemängdsmomentet.
Så varför skulle vi ens vilja placera fotoner i så små strukturer? Det finns två huvudskäl till detta. Det ena är uppenbart – det kommer att hjälpa oss att miniatyrisera enheter som använder ljus och därmed pressa in fler operationer i en cell med liten yta, på samma sätt som miniatyriseringen av elektroniska kretsar.
Det andra skälet är ännu viktigare: denna miniatyrisering ökar interaktionen mellan fotonen och det material som fotonen färdas genom (eller är nära), vilket gör att vi kan producera fenomen och användningsområden som inte är möjliga med fotoner i sina ”normala” dimensioner.
I en studie som publicerades i tidskriften Nature upptäckte Technion-forskarna, under ledning av doktoranden Amit Kam och Dr. Shai Tsesses, att det är möjligt att sammanflätade fotoner i nanoskaliga system som är en tusendel så stora som ett hårstrå, men sammanflätningen utförs inte av fotonens konventionella egenskaper, såsom spinn eller bana, utan endast av det totala vinkelmomentet.
Technion-forskarna avslöjade den process som fotonerna genomgår från det att de förs in i nanosystemet tills de lämnar mätsystemet, och fann att denna övergång berikar utrymmet för de tillstånd som fotonerna kan befinna sig i.
I en serie mätningar kartlade forskarna dessa tillstånd, sammanflätade dem med samma egenskap som är unik för system i nanoskala och bekräftade korrespondensen mellan fotonparen som indikerar kvantsammanflätning.
Detta är den första upptäckten av en ny kvantsammanflätning på mer än 20 år, och den kan i framtiden leda till utveckling av nya verktyg för design av fotonbaserade kvantkommunikations- och datorkomponenter, samt till en betydande miniatyrisering av dessa.
För mer information: Amit Kam et al, Near-field photon entanglement in total angular momentum, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08761-1
