《科學》：“懸浮”納米粒子可以推動量子糾纏的極限

懸浮在激光束中的玻璃顆粒可以相互作用（構想圖）。圖片來源：Equinox Graphics Ltd.

近日，德國杜伊斯堡—埃森大學Benjamin A. Stickler領導的研究團隊把微小的玻璃球懸浮在真空中，使它們在近距離內相互作用，實現了精確地操縱“懸浮”納米粒子，從而開辟了探索日常世界和反直覺的量子物理學之間、神秘模糊地帶的新方法。相關研究結果發表于《科學》。

瑞士聯邦理工學院物理學家Romain Quidant認為，這無疑是開辟新機會的重要里程碑。懸浮粒子有朝一日可能成為量子計算的平臺，或為精密靈敏的測量設備鋪平道路。

研究團隊第一次嘗試了多重懸浮粒子。他們將激光從真空室內的液晶面板上反射回來，將光束一分為二。然后使用超聲波霧化器將200納米寬的玻璃球注入腔室，直到納米球被捕獲在兩個激光束中的每一個的焦點中。

這種“光懸浮”技術之所以能起作用，是因為激光電場的快速振蕩會導致電荷在每個納米球的兩端以同樣快的速度出現，就像條形磁鐵的兩極一樣。這種極化產生了一種力，將粒子推向光最強烈的區域，指向激光束的焦點。

Benjamin A. Stickler解釋，當極化快速來回翻轉時，它就像發射電磁波天線內的電流一樣。“因為有加速電荷，所以會發出輻射”。

通過調整液晶面板，研究人員可以將兩個焦點拉得更近。在幾微米的距離處，粒子開始感知彼此的波，研究人員可以使它們一致地振動，就像通過一系列彈簧連接的質量一樣。

調整激光還允許研究人員關閉一個粒子施加在另一個粒子上的力，而不關閉來自第二個粒子的相反力。Stickler說，他們下一步計劃使用激光將兩個粒子冷卻到量子基態。屆時，將粒子置于量子糾纏狀態將成為可能，這意味著它們的一些可測量屬性，比經典非量子物理定律所允許的關聯更強。

糾纏是量子行為的一個標志，通常只在亞原子尺度上觀察到。長期以來，物理學家一直在爭論宏觀物體是否受它們自己的一套定律支配，或者量子效應在這些尺度上是否太難觀察。通過在越來越大的尺度上證明量子行為，許多實驗正在努力探索這個問題。去年，兩個團隊獨立地將一對微米尺度的圓桶置于糾纏狀態，這是第一次對宏觀物體進行這樣的實驗。

但研究人員表示，這種“夾住”的物體存在局限性：它們在物理上與設備相連，這使得微妙的量子態很難不被破壞。

考慮到這一點，奧地利因斯布魯克大學理論物理學家Peter Zoller等人在2010年3月5日首次設想使用懸浮納米粒子進行量子實驗。Zoller認為，可以把納米顆粒想象成一個能用激光控制并移動的小型計算機。”

Stickler補充說，懸浮技術的另一個優點是可以很好地捕獲兩個以上的粒子。Zoller表示同意：“它可以立即擴展到更大的數量。當懸浮和激光冷卻應用于單個原子或離子時，就像量子計算中的秘密配方。同樣的情況也會發生在納米顆粒上。”