悬浮纳米球实现量子纠缠

量子纠缠（Quantum entanglement）是一种无论粒子间距离多远，它们都会变得密不可分的现象，长期以来一直是亚原子世界的基石。传统上，这些非经典关联需要极端的低温环境（接近绝对零度的温度），以防止热噪声破坏脆弱的量子态。然而，研究人员 F. Marin、Q. Deplano 和 A. Pontin 的一项突破性研究成功演示了在室温下，悬浮纳米小球的宏观质心运动与光场之间存在稳态纠缠。这一发现代表了在弥合量子力学与我们所居住的经典世界之间鸿沟方面迈出的重要一步，有效地将薛定谔的猫（Schrödinger’s cat）的理论原理带入了切实的室温实验室环境。

什么是量子物理学中的悬浮纳米小球？

量子物理学中的悬浮纳米小球是一种电介质玻璃微粒，直径通常为 100 纳米，使用被称为“光镊”的高聚焦激光束悬浮在真空中。通过将纳米小球与其环境隔绝，研究人员能够以极高的精度控制其质心运动，从而有效地将包含数百万个原子的宏观物体视为单个量子力学振荡器。这种隔离对于减少“夹持耗散”和环境干扰至关重要，因为这些因素通常会掩盖大型物体中的量子效应。

光学悬浮的使用使纳米小球能够充当高质量的机械谐振器。由于微粒没有物理连接到基底上，它经历的机械摩擦极小。在 F. Marin 及其同事进行的实验中，纳米小球通过一种称为相干散射的过程与光学腔模耦合。这种设置允许腔内的光与小球的物理运动进行“对话”。由此产生的系统表现为一个光力学界面，光学的性质可以被用来以史无前例的准确度操纵或测量物理物体的量子态。

为什么室温量子纠缠具有重要意义？

室温量子纠缠之所以意义重大，是因为它证明了非经典关联可以在不需要复杂且昂贵的低温冷却系统的情况下持续存在。从历史上看，室温下热振动引起的“退相干”会立即导致量子态坍缩为经典态。通过在环境温度下实现稳态纠缠（一种持久而非瞬时的状态），这项研究证明了宏观量子光学可以集成到标准实验室和工业环境中，从而大幅降低了未来量子技术的门槛。

宏观量子实验的主要挑战是热噪声。在大多数系统中，来自周围环境的热量会导致原子剧烈抖动，从而失去任何量子同步。然而，本研究中使用的悬浮光力系统利用外差检测来重构全套光力关联。研究人员观察到其明显违反了可分性边界，这意味着从数学上证明了光与纳米小球是纠缠在一起的。这种鲁棒性在广泛的失谐范围内得以保持，表明该系统不仅在室温下功能正常，而且对实验波动具有弹性。

相干散射的机制

为了实现这种状态，研究团队专注于纳米小球运动与电磁场之间的相互作用。该方法的关键特征包括：

• 光学腔集成：将悬浮纳米小球放置在光学腔内，以增强光子与微粒之间的相互作用。
• 相干散射：利用来自捕获激光的光子在小球和腔场之间传递动量和信息。
• 关联重构：采用外差检测来测量光的相位和振幅，从而实现量子态的完整映射。

这如何让我们更接近量子互联网？

悬浮纳米小球通过充当高性能节点，可以存储、转发和分配光与物质之间的非经典关联，从而促进量子互联网的发展。由于这些系统可以将量子信息从物理机械状态转移到传播的光模式，因此它们充当了远距离通信的桥梁。将这些关联分发到“超出相互作用区域”的能力，意味着量子数据理论上可以通过光纤网络发送，而不会失去其量子完整性。

在未来的量子互联网中，信息必须在不同类型的物理系统之间交换，例如从静态存储库交换到移动的光子。悬浮纳米小球是担任这一角色的首选，因为它的机械运动可以被“调谐”到不同的频率。A. Pontin 及其团队的研究证明了这种纠缠是“稳态”的，意味着它能随时间保持稳定，而不是以瞬态脉冲的形式存在。这种稳定性是量子中继器的先决条件，量子中继器对于在不使用会破坏量子数据的传统放大器的情况下远距离增强量子信号至关重要。

测试基础物理学与薛定谔的猫

宏观物体纠缠的成功也为测试量子纠缠和重力的极限打开了大门。现代科学中最大的谜团之一是，为什么我们在日常生活中看不到量子效应，比如同时出现在两个地方。通过将这些实验扩展到更大、更重的纳米小球，物理学家可以寻找量子力学定律可能让位于经典重力的“坍缩”点。这项研究让我们更接近在实验室中创造薛定谔的猫态——即宏观物体存在于不同物理位置的叠加态中。

此外，这些发现确立了悬浮系统作为宏观量子光学的首选平台。除了基础测试外，这些纳米小球的高精度传感能力也是巨大的。一个灵敏到可以探测光量子关联的系统，可以用来建造下一代加速度计、重力计和暗物质探测器。研究表明，量子技术的下一阶段将不再局限于亚原子领域，而是涉及对可见、切实物质的操纵。

悬浮光力学的下一步是什么？

展望未来，研究团队旨在增加悬浮物体的质量，以进一步探索量子-经典过渡的边界。未来的实验可能会集中在纠缠位于不同位置的两个独立纳米小球上，这一壮举将巩固功能性量子网络的基础设施需求。此外，改进外差检测技术可能会实现更高保真度的量子态，从而可能导致室温下高带宽量子传感的首批实际应用。Marin、Deplano 和 Pontin 的工作有效地将量子物理学从“冷冻柜”移到了实验台上，标志着宏观量子探索新时代的到来。