在量子世界中,粒子的属性可以以非常奇怪的方式相关。即使两个粒子相距甚远,一个粒子上的测量值也会影响另一个粒子的属性。这种行为被称为纠缠,最初如此自相矛盾的是,许多人,包括阿尔伯特·爱因斯坦,认为基本的理论一定是不完整的。然而,实验已经证实了纠缠的反直觉特性,物理学家已经习惯了这个想法,认识到它可以被利用来开发创新形式的技术。在两篇论文自然,Riedinger 。和Ockeloen-Korppi 。以新的方向探索纠缠。它们缠绕着一对远程机械振荡器的振动,每个振荡器都含有数十亿个原子。

机械振荡器,例如弹簧上的质量或鼓的头部是熟悉的物体。他们通过以固定频率前后振动来抵御平衡。因为运动可以用许多不同的方式产生 - 使用光,电流甚至重力 - 机械振荡器具有很高的通用性。因此,它们有很多应用,例如检测弱力。

揭示机械振荡器中的量子行为(如纠缠)的特征非常具有挑战性 - 主要是因为难以防止这些物体受到其周围环境的干扰。振荡器通常具有低振动频率,因此易受周围原子的热摇摆破坏。相反,与光相关的电磁场具有极高的频率振荡,这意味着光在室温下对热波动完全不敏感。因此,以精确的精度来控制光的性质是相对容易的,以显示量子效应,并且纠缠光的产生几乎是常规的。

Riedinger等人的实验和Ockeloen-Korppi等不同的细节,但共享几个关键因素。为了对抗热波动的影响,两组作者都使用了微米尺度的机械振荡器,以确保振动频率不会太低,并将振荡器冷却到温度低于0.1开尔文。在两个实验中,电磁辐射(光或微波的形式)提供,以产生和检测振荡器的纠缠的装置。

机械振荡器中的纠缠振动-量子客
图1 | 两种机械振荡器的纠缠。Riedinger等人和Ockeloen-Korppi等人报道了两个远程微米级机械振荡器的振动之间的纠缠(非经典相关)。a,Riedinger和他的同事使用硅梁形式的振荡器。每个光束包含用于捕捉光线的小孔,这些光束与光束宽度的快速振荡相结合。作者通过在光束上照射光脉冲并检测被散射的光来实现了纠缠。b相比之下,Ockeloen-Korppi及其同事使用在固定金属板上方振动的金属鼓面。鼓面和平板通过电路连接。作者将微波注入电路中; 它们在振荡器之间来回振动,耦合鼓面并引起缠结。

Riedinger和他的同事使用了一对振荡器,形式为10微米长的硅梁 - 两端夹住并悬挂在中间的棒(图1a)。每个光束包含用于捕捉光线的小孔,与光束宽度内的快速振荡(频率约为5千兆赫)耦合。作者在光束上照射微弱的脉冲光,并使用一种复杂的方案来监测分散的光线,而这种方案并未揭示光源来自哪一束光。这种光的检测意味着能量已经从脉冲转移到光束的振动,但是因为没有关于涉及哪个振荡器的信息,所以两个光束的振动纠缠在一起。

以这种方式使用光产生纠缠的诀窍只有在光从相互完美复制的物体散射时才起作用。这很难通过使用小型机械梁来实现,因为这些物体是通过破坏性的工艺生产出来的,在这种破坏性的工艺中,它们基本上是由整体材料板制成的。Riedinger 。因此产生了包含数百个光束的芯片,他们从中选择最匹配的一对。

Ockeloen-Korppi等人使用一对在固定金属板上上下振动的金属鼓面(图1b)。鼓面直径约为15微米,振动频率低(约10 MHz)。作者通过微波可以来回弹跳的电路连接鼓面。微波影响了鼓面的运动,但也受到这种运动的影响,以与弹簧可以连接两个摆锤相同的方式耦合振荡器。尽管鼓面的振动频率很低,但这可以形成缠结状态并且无限期地持续下去。

总之,这两个实验提供了电磁辐射作为探索机械运动的量子特征的工具的功能和多功能性的精美图示。每个实验都有其优点。Riedinger及其同事的光束直接与光线接口,并且不通过导线连接,这意味着这些设备可以很容易地集成到旨在利用纠缠效应的未来光通信网络中。Ockeloen-Korppi及其同事的结果特别引人注目,因为他们使用的振动频率较低; 他们的方法避免了大规模制造的需要,因为振荡器不需要几乎相同。

仅在2009年,首次报道了由两个原子离子组成的机械振荡器之间的纠缠。从那时起,实验已经证明了晶体的晶格中的纠缠振动,其频率远高于Riedinger和同事们的光束。就涉及的原子的数量而言,Riedinger 等人使用的振荡器 和Ockeloen-Korppi 等人。都是原子离子的一大步,但它们仍然比日常生活中遇到的宏观物体小得多。看看未来十年内进一步的规模实验能够进行到什么程度将是非常有趣的。这种进步可能会产生令人振奋的见解 - 例如,缠绕状态下较大的机械振荡器可能为重力如何与量子物理学相关的突出问题提供答案。