用光子连接真空中的纳米粒子：一种实现宏观量子纠缠的新方法

最近发表在《自然物理》的一篇论文，它展示了如何用光子连接悬浮在真空中的纳米粒子，并控制它们之间的相互作用。这篇论文的意义是非常深远的，因为它展示了一种在宏观尺度上实现量子纠缠和量子信息传输的可能性。

在真空中悬浮纳米粒子

你可能会问，为什么要把纳米粒子悬浮在真空中呢？其实，这是为了探索量子物理在宏观尺度上的奇妙现象。这些现象在微观世界中很常见，但是在我们日常生活中很难观察到，因为宏观物体受到了太多的环境干扰，比如热噪声、气体分子的碰撞和电磁场的波动等等。这些干扰会导致宏观物体的量子态很快地失去相干性，而变成一个确定的经典态。这个过程叫做量子退相干，它是量子物理和经典物理之间的一个重要的区别。

那么，如果我们想要观察宏观物体的量子行为，我们就需要尽可能地减少这些干扰，让它们保持在一个纯的量子态。这就是为什么我们要把纳米粒子悬浮在真空中的原因。首先，纳米粒子的质量很小，所以它们的量子波长很长，这意味着它们更容易表现出量子效应。其次，真空中没有气体分子，所以纳米粒子不会受到碰撞的影响，也就减少了热噪声。最后，我们可以用激光束来捕获和操纵纳米粒子，这样我们就可以控制它们的位置和速度，以及它们之间的相互作用。这些都是为了让纳米粒子保持在一个低温、低耗散、高纯度的量子态，从而实现宏观量子物理的实验。

光腔介导的远程相互作用

好了，我们知道了为什么要悬浮纳米粒子，那么我们接下来要讲的是光腔介导的远程相互作用，这是一种让悬浮的纳米粒子之间产生联系的方法。你可能会想，既然纳米粒子之间没有直接接触，它们怎么会相互作用呢？答案是通过光子。光子是一种既有波动性又有粒子性的量子物体，它们可以在不同的物体之间传递能量和信息。我们可以利用一个光腔，也就是一个两端有镜子的空腔，来增强光子和纳米粒子之间的相互作用。

当我们把一个激光束射入光腔时，光子就会在两个镜子之间来回反射，形成一个驻波。如果我们把纳米粒子放在驻波的节点上，也就是光强最小的地方，那么纳米粒子就会被光压固定在那里，形成一个光学阱。这样，我们就可以用激光束来悬浮多个纳米粒子在光腔中，而且还可以调节它们的位置和频率。

当纳米粒子被悬浮在光腔中时，它们不仅会受到光压的约束，还会受到光子的散射。这就是说，纳米粒子会吸收一些光子，然后再以不同的方向和相位重新发射出去。这样，光子就会在纳米粒子之间传递能量和信息，从而产生一种有效的相互作用。这种相互作用是通过光腔介导的，所以叫做光腔介导的相互作用。

这种相互作用的强度和范围取决于光腔的参数，比如光腔的长度、激光的频率和纳米粒子的位置等等。我们可以通过改变这些参数来调节相互作用的性质，比如使它们变得吸引或排斥，或者使它们在不同的振动模式之间转换。这样，我们就可以用光腔介导的相互作用来实现纳米粒子之间的量子纠缠、量子同步和量子传感等等。

这项实验做了什么

首先，他们用一束红色的激光在一个光学腔中形成了一个光学镊，用来悬浮一个直径约为150纳米的硅球。他们还用另一束蓝色的激光在光学腔的另一端形成了另一个光学镊，用来悬浮另一个直径约为100纳米的硅球。这两个纳米球都被放在一个高真空的室温环境中，以减小空气分子的碰撞和热噪声的影响。

然后，他们用一个声光偏转器来控制激光的频率，从而改变光学腔的失谐度，也就是光学腔的固有频率与激光频率之差。他们发现，当光学腔的失谐度接近纳米球的机械频率时，纳米球之间的腔介导相互作用就会变得很强，达到了强耦合的条件。他们还发现，这种相互作用的强度与纳米球之间的距离无关，只要纳米球在光学腔的模式体积内，它们就可以感受到这种相互作用。

接着，他们用一个光纤干涉仪来测量纳米球的位移信号，从而分析它们的机械运动。他们发现，当光学腔的失谐度接近纳米球的机械频率时，纳米球之间的腔介导相互作用会导致它们的机械模式发生混合，也就是说，它们的振动会同步或者反向。他们还发现，这种模式混合的程度可以通过调节光学腔的失谐度来控制，从而实现对纳米球之间相互作用的可调节性。

最后，他们用一个光电探测器来测量光学腔的输出光，从而观察纳米球之间的量子关联。他们发现，当光学腔的失谐度接近纳米球的机械频率时，纳米球之间的腔介导相互作用会导致它们的量子纠缠，也就是说，它们的量子态会相互依赖，无法分开描述。他们还发现，这种量子纠缠的强度可以通过调节光学腔的失谐度来控制，从而实现对纳米球之间量子关联的可调节性。