鱼眼镜片可能会在原子之间产生量子缠结

James Maxwell是第一个意识到光线能够在鱼眼镜片内的完美圆圈中行进，因为镜片的密度变化，材料在中间最厚，朝向边缘逐渐变薄。

近150年前，物理学家James Maxwell建议将其中心最厚的圆形镜片，并且逐渐介入其边缘，应表现出一些令人迷人的光学行为。即，当光线通过这样的镜头发光时，它应该在完美的圈子中传播，产生高度不寻常的弯曲光线。

他还指出，这种镜头至少宽泛地说话，类似于鱼的眼睛。他设计的镜头配置已知物理学中已知为Maxwell的鱼眼镜头 - 理论构建体，其与摄像机和望远镜的市售鱼眼镜头略微相似。

现在，麻省理工学院和哈佛大学的科学家首次从量子机械角度研究了这种独特的理论镜头，看看如何在镜片内行事和光子。在一项研究中发布的物理评论A中，他们报告说，鱼眼透镜的独特配置使其能够通过透镜引导单个光子，以便缠结一对原子，即使在相对长的距离上。

纠缠是一种量子现象，其中一个颗粒的性质与另一个颗粒的相连或相关，即使在距离距离上。该团队的研究结果表明鱼眼镜片可以是用于缠绕原子和其他量子位的有希望的车辆，这是用于设计量子计算机的必要构建块。

“我们发现鱼眼镜镜具有一些没有其他二维装置的东西，这是在大距离上保持这种缠结的能力，而不仅仅是两个原子，而且对于多对遥远的原子，”第一个作者Janos Perczel说是MIT物理系的研究生。“纠缠和连接这些各种量子位可以真正是游戏的名称，在推进和试图寻找量子力学的应用中。”

该团队还发现，与近期索赔相反，鱼眼镜片不会产生完美的图像。科学家们认为Maxwell的鱼眼可能是“完美透镜”的候选者 - 一种可以超越衍射极限的镜头，这意味着它可以将光聚焦到小于光自身波长的点。这种完美的成像，科学家预测，应该产生具有基本上无限的分辨率和极端清晰度的图像。

然而，通过模拟的鱼眼透镜模拟光子的行为，在量子级，Perczel和他的同事得出结论，因为最初预测的那样它不能产生完美的图像。

“这告诉你，物理学中的这些限制真的很难打破，”Perczel说。“即使在这个系统中，它似乎是一个完美的候选人，这个限制似乎是遵守的。也许完美的成像可能仍然可以用鱼眼以其他一些更复杂的方式，但不是最初提出的。“

Perczel在论文中的共同作者是哈佛大学的彼得·克莫尔和米哈伊尔·卢辛。

圆形路径

Maxwell是第一个意识到光线能够在鱼眼镜片内的完美圆圈中行进，因为镜片的密度变化，材料在中间最厚，朝向边缘逐渐变薄。更密集的材料，较慢的灯光通过它移动。这解释了当吸管放在充满水的玻璃杯中时的光学效应。因为水比它上方的空气如此密集，所以光突然移动得更慢，弯曲在水中行进并创造看起来像吸管的图像一样脱节。

在理论鱼眼镜片中，密度的差异更加渐变，并以圆形图案分布，使其弯曲而弯曲的方式，在镜片内完美的圆圈中的完美圆圈。

2009年，以色列Weizmann科学研究所的一家物理学家在莫扎尔曼科学研究所研究了Maxwell的鱼眼镜镜头的光学性质，并观察到，当光子通过镜头从单个点源释放时，光线在完美的圆圈中行进通过镜头并在另一端收集在另一端，光损失很小。

“没有一个光线在不需要的方向上徘徊，”Perczel说。“一切都遵循完美的轨迹，所有光线都会在同一位置同时见面。”

在报告他的结果时，Leonhardt简要提及鱼眼镜头的单点焦点在镜片的相对端的精确缠结的原子上是否有用。

“Mikhail [Lukin]问他是否已经解决了答案，他说他没有，”Perczel说。“这就是我们开始这个项目的方式，并开始深入挖掘这种纠缠在鱼眼镜镜头内的运作方式。”

玩Photon Ping-Pong

为了研究鱼眼镜透镜的量子电位，研究人员将镜头建模为最简单的系统，由两个原子组成，在二维鱼眼镜头的任一端，一个光子，瞄准第一个原子。使用Quantum Mechence的建立方程，该团队在通过镜头行进时在任何给定的时间点跟踪光子，并通过时间计算出原子和它们的能量水平的状态。

他们发现当单个光子通过透镜闪耀时，它被镜片一端的原子暂时吸收。然后，它呈透镜界面，在镜片的精确相对端的精确上的第二原子上。该第二原子瞬间吸收光子，然后在将其送回通过镜头之前，其中光精确地收集在第一原子上。

“光子来回反弹，原子基本上正在打乒乓球，”Perczel说。“最初只有一个原子具有光子，然后是另一个原子。但是在这两个极端之间，有一个点，他们都有它。这是吹缠绕的缠绕的​​令人兴奋的缠结的想法，其中光子在两个原子之间完全共用。“

Perczel说，由于鱼眼透镜的独特几何形状，光子能够缠绕原子。镜头的密度以这样的方式分布，使得它以完美的圆形图案引导光，并且甚至可以使单个光子沿着圆形路径沿两个精确点之间来回弹跳。

“如果光子刚刚飞到各个方向，那么就没有任何缠结，”Perczel说。“但是鱼眼在光线上给出了这一总控制，因此您可以长距离纠缠系统，这是您可以使用的珍贵量子系统。”

随着它们在其模型中增加了鱼眼镜透镜的大小，原子仍然缠结，即使在几十微米的相对较大的距离上也是如此。他们还观察到，即使有些光逃脱镜头，原子也能够分享足够的光子的能量以保持缠结。最后，当它们在透镜中放置更多的原子，与相应的光子相对相反，这些原子也同时缠结。

“你可以用鱼眼缠绕一次多对原子，这就是使它有用和有前途的东西，”Perczel说。

钓鱼秘密

在模拟鱼眼镜片中的光子和原子的行为，研究人员还发现，随着在镜头的相对端收集的光，它在比光子光的波长大，这是如此镜头可能无法产生完美的形象。

“我们可以精确地提出这个问题在这个光子交换期间，光子被回忆的地方的大小是多少？我们发现它与光子的波长相当，而不是小的，“Perczel说。“完美的成像意味着它将专注于无限尖锐的地方。但是，这不是我们的量子力学计算显示给我们的东西。“

展望未来，团队希望与实验主义者合作，以测试他们在其建模中观察到的量子行为。事实上，在他们的论文中，该团队还简要提出了一种设计一种用于量子缠结实验的鱼眼镜镜头的方法。

“鱼眼镜镜头仍然有其秘密，并且埋藏出色的物理，”Perczel说。“但是现在它在Quantum Technologies中出现了外观，在那里它拒绝该镜头对于缠绕远程量子位来说真正有用，这是构建任何有用量子计算机或量子信息处理设备的基本构建块。”

出版物：J. Perczel等，“麦克斯韦鱼眼镜镜片的Quantum光学，单个原子和光子”，物理。Rev. A，2018; DOI：10.1103 / physreva.98.033803