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

文本介紹了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的實驗。這展示了一種在宏觀尺度上實現量子糾纏和量子信息傳輸的可能性。

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，這是為了探索量子物理在宏觀尺度上的奇妙現象。這些現象在微觀世界中很常見，但是在我們日常生活中很難觀察到，因為宏觀物體受到了太多的環境干擾，比如熱噪聲、氣體分子的碰撞和電磁場的波動等等。這些干擾會導致宏觀物體的量子態很快地失去相干性，而變成一個確定的經典態。這個過程叫做量子退相干，它是量子物理和經典物理之間的一個重要的區別。

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。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出量子效應。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，從而實現宏觀量子物理的實驗。

光腔介導的遠程相互作用

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的遠程相互作用，這是一種讓懸浮的納米粒子之間產生聯系的方法。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，來增強光子和納米粒子之間的相互作用。

當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點上，也就是光強最小的地方，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，而且還可以調節它們的位置和頻率。

當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，從而產生一種有效的相互作用。這種相互作用是通過光腔介導的，所以叫做光腔介導的相互作用。

這種相互作用的強度和范圍取決于光腔的參數，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來調節相互作用的性質，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換。這樣，我們就可以用光腔介導的相互作用來實現納米粒子之間的量子糾纏、量子同步和量子傳感等等。

這項實驗做了什么

首先，研究人員用一束紅色的激光在一個光學腔中形成了一個光學鑷，用來懸浮一個直徑約為150納米的硅球。他們還用另一束藍色的激光在光學腔的另一端形成了另一個光學鑷，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境中，以減小空氣分子的碰撞和熱噪聲的影響。

然后，研究人員用一個聲光偏轉器來控制激光的頻率，從而改變光學腔的失諧度，也就是光學腔的固有頻率與激光頻率之差。他們發現，當光學腔的失諧度接近納米球的機械頻率時，納米球之間的腔介導相互作用就會變得很強，達到了強耦合的條件。他們還發現，這種相互作用的強度與納米球之間的距離無關，只要納米球在光學腔的模式體積內，它們就可以感受到這種相互作用。

接著，研究人員用一個光纖干涉儀來測量納米球的位移信號，從而分析它們的機械運動。他們發現，當光學腔的失諧度接近納米球的機械頻率時，納米球之間的腔介導相互作用會導致它們的機械模式發生混合，也就是說，它們的振動會同步或者反向。他們還發現，這種模式混合的程度可以通過調節光學腔的失諧度來控制，從而實現對納米球之間相互作用的可調節性。

最后，研究人員用一個光電探測器來測量光學腔的輸出光，從而觀察納米球之間的量子關聯。他們發現，當光學腔的失諧度接近納米球的機械頻率時，納米球之間的腔介導相互作用會導致它們的量子糾纏，也就是說，它們的量子態會相互依賴，無法分開描述。他們還發現，這種量子糾纏的強度可以通過調節光學腔的失諧度來控制，從而實現對納米球之間量子關聯的可調節性。

審核編輯：劉清