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

文本介绍了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的实验。这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，研究人员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，研究人员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，研究人员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，研究人员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。

审核编辑：刘清