創新研究利用懸浮光學機械觀察較大物體的量子現象，為量子感測提供了潛在應用，並縮小了量子力學與經典力學之間的差距。經典物理學和量子物理學的邊界在哪裡？這個問題是現代科學研究中最長久的追求之一。在今天發表的新研究中，科學家們展示了一個新穎的平台，它可以幫助我們找到答案。

兩個被光學捕捉的奈米粒子透過光子在鏡子之間來回反彈而耦合在一起，圖片顯示兩個奈米粒子（綠色）被光鑷/雷射光束（紅色）困住，並被放置在兩面鏡子（白色）之間，形成一個光腔（週期性的藍色圓球）。奈米粒子（紫色斜箭頭）散射的光子被困在空腔中，從而導致兩個奈米粒子之間的相互作用（紫色直線）。資料來源：曼徹斯特大學

量子物理定律支配著微小尺度上的粒子行為，產生了量子糾纏等現象，糾纏粒子的特性以經典物理學無法解釋的方式密不可分地連結在一起。

較大物體中的量子現象

量子物理學研究有助於我們填補物理學知識的空白，並能讓我們更全面地了解現實，但量子系統運作的微小尺度會使它們難以被觀測和研究。

在過去的一個世紀裡，物理學家成功地在越來越大的物體中觀測到了量子現象，從電子等亞原子粒子到包含成千上萬原子的分子。

最近，懸浮光機械學領域涉及在真空中控制高質微米級物體，其目的是透過測試比原子和分子重幾個數量級的物體中量子現象的有效性，進一步推動這一領域的發展。然而，隨著物體質量和尺寸的增加，產生微妙量子特徵（如糾纏）的相互作用會被環境所遺忘，導致我們觀察到的經典行為。

克服環境噪音

但現在，曼徹斯特大學量子工程實驗室主任Jayadev Vijayan 博士與蘇黎世聯邦理工學院的科學家以及因斯布魯克大學的理論家共同領導的團隊，在蘇黎世聯邦理工學院進行的一項實驗中確立了克服這一問題的新方法，並發表在《自然-物理》雜誌上。

Vijayan博士說：”要在更大尺度上觀測量子現象並揭示經典-量子轉換，就必須在環境噪聲的影響下保留量子特徵。可以想像，要做到這一點有兩種方法：一是抑制噪聲，二是增強量子特徵。我們的研究展示了透過第二種方法應對挑戰的方法。我們的研究表明，兩個光學捕獲的0.1 微米大小的玻璃顆粒之間的糾纏所需的相互作用可以放大幾個數量級，以克服環境損失。”

科學家將粒子放在兩面高反射鏡之間，形成一個光腔。這樣，每個粒子散射的光子在離開空腔之前會在鏡子之間反彈數千次，這大大提高了與另一個粒子相互作用的幾率。

蘇黎世聯邦理工學院的論文共同負責人約翰內斯-皮奧特羅斯基（Johannes Piotrowski）補充說：”值得注意的是，由於光學相互作用是由空腔介導的，其強度不會隨距離衰減，這意味著我們可以將微米級粒子耦合到幾毫米的範圍內。

研究人員還展示了透過改變雷射頻率和粒子在腔體內的位置來精細調整或控制相互作用強度的非凡能力。

實際應用與未來方向

這些發現是對基礎物理學理解的重大飛躍，同時也為實際應用帶來了希望，特別是可用於環境監測和離線導航的感測器技術。

維也納技術大學的合作者卡洛斯-岡薩雷斯-巴列斯特羅博士說：”懸浮機械感測器的關鍵優勢在於，與其他使用感測技術的量子系統相比，它們的品質很高。大質量使其非常適合探測引力和加速度，從而提高靈敏度。因此，量子感測器可用於各個領域的許多不同應用，如監測極地冰層用於氣候研究，測量加速度用於導航目的等。”

皮奧特羅斯基補充說：”能在這個相對較新的平台上工作，並測試我們能在多大程度上將其推入量子體系，這令人興奮。”

現在，研究團隊將把新功能與成熟的量子冷卻技術結合，大步邁向量子糾纏的驗證。如果成功，實現懸浮奈米粒子和微粒子的糾纏將縮小量子世界與日常經典力學之間的差距。

在曼徹斯特大學光子科學研究所和電氣與電子工程系，Jayadev Vijayan 博士的團隊將繼續研究懸浮光學機械學，利用多個奈米粒子之間的相互作用，將其應用於量子感測領域。