纳米粒子“纠缠”突破量子极限

在1日发表于《自然·物理》杂志的一项新研究中，来自英国、瑞士和奥地利的国际研究团队建立了一种新的平台，来解决经典物理和量子物理之间的边界问题。这一成果代表着在理解基础物理学方面的重大飞跃，也为实际应用带来了希望，特别是在用于环境监测和离线导航的传感器技术方面。

光镊捕获的两个纳米粒子通过在镜子之间来回反射的光子耦合在一起。 图片来源：英国曼彻斯特大学

在过去一个世纪里，物理学家已在越来越大的物体中观察到量子现象，从电子等亚原子粒子到包含数千个原子的分子。最近，悬浮光力学领域致力于在真空中控制高质量微米级物体，希望能测试比原子和分子重几个数量级的物体中的量子现象，进一步突破这一极限。然而，随着物体质量和大小的增加，其量子特征（如纠缠）的相互作用会消失在环境中。

为了在更大尺度上观察量子现象并揭示经典－量子转变，量子特征需要在环境噪声存在的情况下保持不变。有两种方法可做到这一点：一是抑制噪声，二是增强量子特征。新研究则采取了第二种方法。

研究证明，利用光镊捕获的两个0.1微米大小的玻璃粒子之间，其纠缠所需的相互作用可被放大几个数量级，以克服对环境的损失。

研究人员将两个粒子放置在两个高反射镜之间，形成一个光学腔。通过这种方式，每个粒子散射的光子在离开腔体之前会在镜面之间反弹数千次，导致与另一个粒子相互作用的机会大大增加。由于光学相互作用是由空腔介导的，因此它的强度不会随着距离而衰减，这意味着研究人员可在几毫米范围内耦合微米级粒子。

相对于其他传感量子系统来说，悬浮式机械传感器的关键优势在于质量更高，这使它们非常适合于探测引力和加速度，能够达到更高的灵敏度，例如在气候研究中监测极地冰，在导航中测量加速度。