最近發表在【自然物理】的一篇論文，它展示了如何用光子連線懸浮在真空中的奈米粒子，並控制它們之間的交互作用。這篇論文的意義是非常深遠的，因為它展示了一種在宏觀尺度上實作量子纏結和量子資訊傳輸的可能性。
在真空中懸浮奈米粒子
你可能會問，為什麽要把奈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幹擾，比如熱雜訊、瓦斯分子的碰撞和電磁場的波動等等。這些幹擾會導致宏觀物體的量子態很快地失去相幹性，而變成一個確定的經典態。這個過程叫做量子去相干，它是量子物理和經典物理之間的一個重要的區別。
那麽，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幹擾，讓它們保持在一個純的量子態。這就是為什麽我們要把奈米粒子懸浮在真空中的原因。首先，奈米粒子的品質很小，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，真空中沒有瓦斯分子，所以奈米粒子不會受到碰撞的影響，也就減少了熱雜訊。最後，我們可以用雷射束來捕獲和操縱奈米粒子，這樣我們就可以控制它們的位置和速度，以及它們之間的交互作用。這些都是為了讓奈米粒子保持在一個低溫、低耗散、高純度的量子態，從而實作宏觀量子物理的實驗。
光腔介導的遠端交互作用
好了，我們知道了為什麽要懸浮奈米粒子，那麽我們接下來要講的是光腔介導的遠端交互作用，這是一種讓懸浮的奈米粒子之間產生聯系的方法。你可能會想，既然奈米粒子之間沒有直接接觸，它們怎麽會交互作用呢？答案是透過光子。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資訊。我們可以利用一個光腔，也就是一個兩端有鏡子的空腔，來增強光子和奈米粒子之間的交互作用。
當我們把一個雷射束射入光腔時，光子就會在兩個鏡子之間來回反射，形成一個駐波。如果我們把奈米粒子放在駐波的節點上，也就是光強最小的地方，那麽奈米粒子就會被光壓固定在那裏，形成一個光學阱。這樣，我們就可以用雷射束來懸浮多個奈米粒子在光腔中，而且還可以調節它們的位置和頻率。
當奈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，奈米粒子會吸收一些光子，然後再以不同的方向和相位重新發射出去。這樣，光子就會在奈米粒子之間傳遞能量和資訊，從而產生一種有效的交互作用。這種交互作用是透過光腔介導的，所以叫做光腔介導的交互作用。
這種交互作用的強度和範圍取決於光腔的參數，比如光腔的長度、雷射的頻率和奈米粒子的位置等等。我們可以透過改變這些參數來調節交互作用的性質，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交互作用來實作奈米粒子之間的量子纏結、量子同步和量子傳感等等。
這項實驗做了什麽
首先，他們用一束紅色的雷射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奈米的矽球。他們還用另一束藍色的雷射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奈米的矽球。這兩個奈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雜訊的影響。
然後，他們用一個聲光偏轉器來控制雷射的頻率，從而改變光學腔的失諧度，也就是光學腔的固有頻率與雷射頻率之差。他們發現，當光學腔的失諧度接近奈米球的機械頻率時，奈米球之間的腔介導交互作用就會變得很強，達到了強耦合的條件。他們還發現，這種交互作用的強度與奈米球之間的距離無關，只要奈米球在光學腔的模式體積內，它們就可以感受到這種交互作用。
接著，他們用一個光纖幹涉儀來測量奈米球的位移訊號，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奈米球的機械頻率時，奈米球之間的腔介導交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透過調節光學腔的失諧度來控制，從而實作對奈米球之間交互作用的可調節性。
最後，他們用一個光電探測器來測量光學腔的輸出光，從而觀察奈米球之間的量子關聯。他們發現，當光學腔的失諧度接近奈米球的機械頻率時，奈米球之間的腔介導交互作用會導致它們的量子纏結，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，這種量子纏結的強度可以透過調節光學腔的失諧度來控制，從而實作對奈米球之間量子關聯的可調節性。
