创新性研究利用悬浮光学机械观察较大物体的量子现象

两个被光学捕获的纳米粒子通过光子在镜子之间来回反弹而耦合在一起，图片显示两个纳米粒子（绿色）被光镊/激光束（红色）困住，并被放置在两面镜子（白色）之间，形成一个光腔（周期性的蓝色圆球）。纳米粒子（紫色斜箭头）散射的光子被困在空腔中，从而导致两个纳米粒子之间的相互作用（紫色直线）。资料来源：曼彻斯特大学

量子物理定律支配着微小尺度上的粒子行为，从而产生了量子纠缠等现象，纠缠粒子的特性以经典物理学无法解释的方式密不可分地联系在一起。

较大物体中的量子现象

量子物理学研究有助于我们填补物理学知识的空白，并能让我们更全面地了解现实，但量子系统运行的微小尺度会使它们难以观测和研究。

在过去的一个世纪里，物理学家成功地在越来越大的物体中观测到了量子现象，从电子等亚原子粒子到包含成千上万原子的分子。

最近，悬浮光机械学领域涉及在真空中控制高质微米级物体，其目的是通过测试比原子和分子重几个数量级的物体中量子现象的有效性，进一步推动这一领域的发展。然而，随着物体质量和尺寸的增加，产生微妙量子特征（如纠缠）的相互作用会被环境所遗忘，从而导致我们观察到的经典行为。

克服环境噪声

但现在，曼彻斯特大学量子工程实验室主任 Jayadev Vijayan 博士与苏黎世联邦理工学院的科学家以及因斯布鲁克大学的理论家共同领导的团队，在苏黎世联邦理工学院进行的一项实验中确立了克服这一问题的新方法，并发表在《自然-物理》杂志上。

Vijayan博士说："要在更大尺度上观测量子现象并揭示经典-量子转换，就必须在环境噪声的影响下保留量子特征。可以想象，要做到这一点有两种方法：一是抑制噪声，二是增强量子特征。我们的研究展示了通过第二种方法应对挑战的方法。我们的研究表明，两个光学捕获的 0.1 微米大小的玻璃颗粒之间的纠缠所需的相互作用可以放大几个数量级，以克服环境损失。"

科学家们将粒子放在两面高反射镜之间，形成一个光腔。这样，每个粒子散射的光子在离开空腔之前会在镜子之间反弹数千次，从而大大提高了与另一个粒子发生相互作用的几率。

苏黎世联邦理工学院的论文共同负责人约翰内斯-皮奥特罗斯基（Johannes Piotrowski）补充说："值得注意的是，由于光学相互作用是由空腔介导的，其强度不会随距离衰减，这意味着我们可以将微米级粒子耦合到几毫米的范围内。

研究人员还展示了通过改变激光频率和粒子在腔体内的位置来精细调整或控制相互作用强度的非凡能力。

实际应用和未来方向

这些发现是对基础物理学理解的重大飞跃，同时也为实际应用带来了希望，特别是可用于环境监测和离线导航的传感器技术。

维也纳技术大学的合作者卡洛斯-冈萨雷斯-巴列斯特罗博士说："悬浮机械传感器的关键优势在于，与其他使用传感技术的量子系统相比，它们的质量很高。大质量使其非常适合探测引力和加速度，从而提高灵敏度。因此，量子传感器可用于各个领域的许多不同应用，如监测极地冰层用于气候研究，测量加速度用于导航目的等。"

皮奥特罗斯基补充说："能在这个相对较新的平台上工作，并测试我们能在多大程度上将其推入量子体系，这令人兴奋。"

现在，研究团队将把新功能与成熟的量子冷却技术相结合，大步迈向量子纠缠的验证。如果成功，实现悬浮纳米粒子和微粒子的纠缠将缩小量子世界与日常经典力学之间的差距。

在曼彻斯特大学光子科学研究所和电气与电子工程系，Jayadev Vijayan 博士的团队将继续研究悬浮光学机械学，利用多个纳米粒子之间的相互作用，将其应用于量子传感领域。

编译自:ScitechDaily