悬浮纳米粒子可能突破量子纠缠的极限
物理学家将微小的玻璃球悬浮在真空中，使它们在近距离相互作用。“悬浮”纳米粒子现在已经纵得足够精确，以开辟新的方法来探测日常世界与在原子尺度上控制物体的反直觉量子物理学之间神秘的暮光区。
“这无疑是一个重要的里程碑，它开辟了新的机会，”在苏黎世的瑞士联邦理工学院(ETH)进行类似实验的物理学家Romain Quidant说。研究结果于8月25日发表在《科学》杂志上。1.悬浮粒子有朝一日可以充当量子计算的平台，或者为极其灵敏的测量设备铺平道路。
激光悬浮
在过去的十年中，物理学家已经掌握了在真空中操纵病毒颗粒大小的物体的各种技术 - 几百纳米宽 - 特别是使用激光施加的轻柔压力。
2020年，维也纳大学的Uroš Delić和他的合作者震惊了物理学界，他们把粒子的质心减慢到物理学家所说的量子基态，好像粒子尽可能冷。2.达到基态是进入和操纵量子行为的第一步，这通常只能在亚原子尺度上获得，并且需要将物体冷却到接近绝对零度。虽然它们的质心处于基态，但粒子在其他方面仍然是温暖的，热振动并在自身上旋转。
物理学家Lia Li回忆起当那篇论文的资深作者维也纳大学物理学家马库斯·阿斯佩尔迈耶(Markus Aspelmeyer)在一次会议上报道量子基态，并随后在arXiv服务器上发布预印本时，社区的兴奋之情。“人们很疯狂，”英国布里斯托尔工程公司零点运动公司的首席执行官李说。少数实验室争先恐后地复制结果，有些实验室取得了成功。
一些物理学家，包括加利福尼亚州斯坦福大学的乔治·格拉塔(Giorgio Gratta)，研究稍大的粒子 - 一微米或更宽 - 具有足够的质量来施加可观的引力。“主要的想法是在微观尺度上寻找新的相互作用，或者寻找与牛顿引力的偏差，”他说。
二乘二
在最新的论文中，Delić，Aspelmeyer和他们的合作者朝着处理多个悬浮粒子迈出了第一步。他们将激光从真空室内的液晶面板上反射出来，将光束一分为二。接下来，他们使用超声波雾化器将200纳米宽的玻璃球注射到腔室中，类似于用于治疗哮喘的装置，直到纳米球被捕获在两个激光束中每个光束的焦点中。
这种“光学悬浮”技术之所以有效，是因为激光电场的快速振荡会诱导电荷在每个纳米球的两端同样快速地出现，就像条形磁铁的两极一样。这种偏振产生一种力，将粒子推向光线最强烈的区域 - 在这种情况下，推向激光束的焦点。
当极化快速来回翻转时，它就像发射电磁波的天线内部的电流一样，合著者，德国杜伊斯堡杜伊斯堡埃森大学的理论物理学家本杰明·斯蒂克勒(Benjamin Stickler)解释说。“由于你已经加速了电荷，这就会发出辐射。通过调整液晶面板，研究人员可以将两个焦点更紧密地结合在一起。在几微米的距离上，粒子开始感知彼此的波，研究人员可以使它们一致振动，就像由一系列弹簧连接的质量一样。
调谐激光还允许团队关闭一个粒子施加在另一个粒子上的力，而不会关闭来自第二个粒子的相反力。这产生了“人为的”物理定律，似乎违反了艾萨克·牛顿的第三定律——对于每个动作，都有一个相等且相反的反应。
飞跃
Stickler说，下一个任务将是使用激光将两个粒子冷却到它们的量子基态。在这一点上，有可能将粒子置于量子纠缠状态，这意味着它们的一些可测量性质 - 在这种情况下，它们的位置 - 比经典非量子物理学定律所允许的更强的相关性。
纠缠是量子行为的标志，通常只能在亚原子尺度上观察到。物理学家长期以来一直在争论宏观物体是否受他们自己的一套定律的支配，或者量子效应是否在这些尺度上太难观察。许多实验工作正在通过展示越来越大尺度的量子行为来探索这个问题。去年，两个团队独立地将成对的微米级鼓置于纠缠状态 - 这是第一次对宏观物体这样做。
但研究人员表示，这种“夹紧”的物体构成了局限性：它们在物理上连接到一个设备，这使得很难保持微妙的量子态不被破坏。考虑到这一点，奥地利因斯布鲁克大学的理论物理学家彼得·佐勒(Peter Zoller)和其他人于2010年首次设想使用悬浮纳米粒子进行量子实验。3—5.“你甚至可以认为纳米粒子是一台小型计算机，你可以用激光控制并四处移动，”Zoller说。
斯蒂克勒补充说，悬浮技术的另一个优点是，它应该同样适用于捕获两个以上的颗粒。佐勒对此表示赞同。“它可以立即扩展到更大的数字，”他说。
当应用于单个原子或离子时，悬浮和激光冷却“就像量子计算中的秘密武器”，Zoller说。纳米颗粒也可能发生同样的情况。
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