最近發(fā)表在《自然物理》的一篇論文，它展示了如何用光子連接懸浮在真空中的納米粒子，并控制它們之間的相互作用。這篇論文的意義是非常深遠(yuǎn)的，因?yàn)樗故玖艘环N在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)量子糾纏和量子信息傳輸?shù)目赡苄浴?/p>

在真空中懸浮納米粒子

你可能會問，為什么要把納米粒子懸浮在真空中呢？其實(shí)，這是為了探索量子物理在宏觀尺度上的奇妙現(xiàn)象。這些現(xiàn)象在微觀世界中很常見，但是在我們?nèi)粘Ｉ钪泻茈y觀察到，因?yàn)楹暧^物體受到了太多的環(huán)境干擾，比如熱噪聲、氣體分子的碰撞和電磁場的波動等等。這些干擾會導(dǎo)致宏觀物體的量子態(tài)很快地失去相干性，而變成一個確定的經(jīng)典態(tài)。這個過程叫做量子退相干，它是量子物理和經(jīng)典物理之間的一個重要的區(qū)別。

那么，如果我們想要觀察宏觀物體的量子行為，我們就需要盡可能地減少這些干擾，讓它們保持在一個純的量子態(tài)。這就是為什么我們要把納米粒子懸浮在真空中的原因。首先，納米粒子的質(zhì)量很小，所以它們的量子波長很長，這意味著它們更容易表現(xiàn)出量子效應(yīng)。其次，真空中沒有氣體分子，所以納米粒子不會受到碰撞的影響，也就減少了熱噪聲。最后，我們可以用激光束來捕獲和操縱納米粒子，這樣我們就可以控制它們的位置和速度，以及它們之間的相互作用。這些都是為了讓納米粒子保持在一個低溫、低耗散、高純度的量子態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)宏觀量子物理的實(shí)驗(yàn)。

光腔介導(dǎo)的遠(yuǎn)程相互作用

好了，我們知道了為什么要懸浮納米粒子，那么我們接下來要講的是光腔介導(dǎo)的遠(yuǎn)程相互作用，這是一種讓懸浮的納米粒子之間產(chǎn)生聯(lián)系的方法。你可能會想，既然納米粒子之間沒有直接接觸，它們怎么會相互作用呢？答案是通過光子。光子是一種既有波動性又有粒子性的量子物體，它們可以在不同的物體之間傳遞能量和信息。我們可以利用一個光腔，也就是一個兩端有鏡子的空腔，來增強(qiáng)光子和納米粒子之間的相互作用。

當(dāng)我們把一個激光束射入光腔時，光子就會在兩個鏡子之間來回反射，形成一個駐波。如果我們把納米粒子放在駐波的節(jié)點(diǎn)上，也就是光強(qiáng)最小的地方，那么納米粒子就會被光壓固定在那里，形成一個光學(xué)阱。這樣，我們就可以用激光束來懸浮多個納米粒子在光腔中，而且還可以調(diào)節(jié)它們的位置和頻率。

當(dāng)納米粒子被懸浮在光腔中時，它們不僅會受到光壓的約束，還會受到光子的散射。這就是說，納米粒子會吸收一些光子，然后再以不同的方向和相位重新發(fā)射出去。這樣，光子就會在納米粒子之間傳遞能量和信息，從而產(chǎn)生一種有效的相互作用。這種相互作用是通過光腔介導(dǎo)的，所以叫做光腔介導(dǎo)的相互作用。

這種相互作用的強(qiáng)度和范圍取決于光腔的參數(shù)，比如光腔的長度、激光的頻率和納米粒子的位置等等。我們可以通過改變這些參數(shù)來調(diào)節(jié)相互作用的性質(zhì)，比如使它們變得吸引或排斥，或者使它們在不同的振動模式之間轉(zhuǎn)換。這樣，我們就可以用光腔介導(dǎo)的相互作用來實(shí)現(xiàn)納米粒子之間的量子糾纏、量子同步和量子傳感等等。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)做了什么

首先，他們用一束紅色的激光在一個光學(xué)腔中形成了一個光學(xué)鑷，用來懸浮一個直徑約為150納米的硅球。他們還用另一束藍(lán)色的激光在光學(xué)腔的另一端形成了另一個光學(xué)鑷，用來懸浮另一個直徑約為100納米的硅球。這兩個納米球都被放在一個高真空的室溫環(huán)境中，以減小空氣分子的碰撞和熱噪聲的影響。

然后，他們用一個聲光偏轉(zhuǎn)器來控制激光的頻率，從而改變光學(xué)腔的失諧度，也就是光學(xué)腔的固有頻率與激光頻率之差。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光學(xué)腔的失諧度接近納米球的機(jī)械頻率時，納米球之間的腔介導(dǎo)相互作用就會變得很強(qiáng)，達(dá)到了強(qiáng)耦合的條件。他們還發(fā)現(xiàn)，這種相互作用的強(qiáng)度與納米球之間的距離無關(guān)，只要納米球在光學(xué)腔的模式體積內(nèi)，它們就可以感受到這種相互作用。

接著，他們用一個光纖干涉儀來測量納米球的位移信號，從而分析它們的機(jī)械運(yùn)動。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光學(xué)腔的失諧度接近納米球的機(jī)械頻率時，納米球之間的腔介導(dǎo)相互作用會導(dǎo)致它們的機(jī)械模式發(fā)生混合，也就是說，它們的振動會同步或者反向。他們還發(fā)現(xiàn)，這種模式混合的程度可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)腔的失諧度來控制，從而實(shí)現(xiàn)對納米球之間相互作用的可調(diào)節(jié)性。

最后，他們用一個光電探測器來測量光學(xué)腔的輸出光，從而觀察納米球之間的量子關(guān)聯(lián)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光學(xué)腔的失諧度接近納米球的機(jī)械頻率時，納米球之間的腔介導(dǎo)相互作用會導(dǎo)致它們的量子糾纏，也就是說，它們的量子態(tài)會相互依賴，無法分開描述。他們還發(fā)現(xiàn)，這種量子糾纏的強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)腔的失諧度來控制，從而實(shí)現(xiàn)對納米球之間量子關(guān)聯(lián)的可調(diào)節(jié)性。