傳統上，對光子糾纏的理解和操控主要通過其內在屬性，如偏振（與自旋角動量相關）和空間分布（與軌道角動量相關）來實現。然而，一項發表在《自然》雜志上題為“近場光子總角動量糾纏”（Near-field photon entanglement in total angular momentum）的突破性研究揭示了一種新的量子糾纏形式，這種糾纏源于近場區域（特別是在納米光子系統中）中光子的總角動量（TAM）。這一發現不僅加深了我們對納米尺度光與物質相互作用的基本理解，也為開發高度小型化和集成化的量子器件鋪平了道路。

在傍軸光學領域，對光子角動量的傳統理解涉及兩個可分離的組成部分。自旋角動量（SAM）是與光的圓偏振相關的內在屬性，每個光子沿其傳播方向攜帶+?或-?的SAM。這種二元性使其成為編碼量子比特的天然選擇。另一方面，軌道角動量（OAM）與光束的螺旋相位結構相關，允許光子攜帶 ? 的整數倍的 OAM。這為編碼更高維度的量子數字（qudit）提供了可能性，從而可能提高量子系統的信息容量和魯棒性。在遠場區域，SAM 和 OAM 保持獨立且可控，因此可以很容易地在兩個光子的 SAM 之間、兩個光子的 OAM 之間，甚至在單個光子的 SAM 和 OAM 之間誘導出糾纏。這些形式的糾纏已被廣泛研究并應用于各種量子協議中。

然而，當我們進入納米光子學的領域時，光學的圖景會發生巨大的變化。在納米光子學中，光被限制在與波長相當或更小的尺寸內。在這些高度受限的空間中，尤其是在近場區域——非常靠近納米結構材料表面的區域——SAM 和 OAM 傳統的獨立性被打破了。強烈的空間限制以及光與納米結構的復雜相互作用導致自旋和軌道自由度變得密不可分。因此，在這樣的系統中，SAM 或 OAM 都不能單獨作為描述光子狀態的良好量子數。相反，總角動量（TAM），即自旋角動量和軌道角動量的矢量和，成為基本的守恒量和描述納米環境中光子角動量狀態的適當描述符。

為了在近場尺度下探索TAM糾纏，研究者采用了先進的納米加工技術。通過設計納米天線、等離激元波導、超構材料等納米光子結構，科學家能夠同時操控SAM和OAM。這些結構通過強耦合機制促進兩者的相互作用，從而形成TAM糾纏態。

近場實驗依賴于高靈敏度的探測方法，如近場掃描光學顯微鏡（NSOM），可在納米尺度上解析電磁場的空間結構。此外，干涉測量和二光子關聯測量技術被用于驗證糾纏的存在。通過對TAM態進行投影和統計分析，實驗者能確認非經典相關性的確存在于這些近場光子之間。

此次關于TAM近場糾纏的研究帶來了若干重要成果：

• 首次實現TAM糾纏：實驗驗證了在近場區域，光子不僅可以通過SAM或OAM發生糾纏，更重要的是其總角動量狀態也可以表現出糾纏行為，打破了傳統角動量處理方式的局限。
• 納米尺度的精準控制：研究證明，在極小尺度上可以對光子的量子態實現精確操控。這種微型化的量子控制方式為集成量子光子器件提供了重要支撐。
• 糾纏的魯棒性：盡管近場環境更易受干擾，但此次實驗中觀測到的TAM糾纏狀態表現出良好的穩定性和魯棒性，為其在實際量子技術中的應用提供了保障。

這一發現對基礎科學和技術應用都具有深遠的意義。從基礎科學的角度來看，它加深了我們對角動量（光的基本屬性）在高度受限環境中的行為的理解。它突出了近場中自旋和軌道自由度之間復雜的相互作用，并強調了在納米光子系統中將 TAM 視為主要量子數的重要性。這種新的糾纏形式也為探索新的量子現象和在以前無法觸及的領域檢驗量子力學的邊界開辟了道路。

在技術方面，近場光子總角動量糾纏的觀察為片上量子信息處理的進步帶來了巨大的希望。在納米尺度器件內生成和操控糾纏光子的能力對于實現集成量子電路至關重要。將 TAM 用作量子信息編碼的屬性具有若干潛在優勢。例如，近場中自旋角動量和軌道角動量之間的內在耦合可能導致新型的量子門和操作，而這些操作在遠場中通過單獨的 SAM 或 OAM 編碼是難以實現的。此外，納米光子系統的微型化潛力可能導致用于通信、計算和傳感的高度緊湊和節能的量子器件。