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在悬浮光力学领域，实现机械纠缠是重要目标。研究人员围绕二维悬浮机械振子展开研究，成功获得高纯度二维态，该成果为实现二维运动的连续变量纠缠提供平台，对量子信息和传感应用意义重大。
近年来，悬浮光力学取得了显著进展，成功达到了运动量子基态，这一成果让科学家们备受鼓舞，也开启了微观世界量子研究的新篇章。然而，科学探索的道路永无止境，该领域的下一个重要目标 —— 机械纠缠的实现，却面临着诸多挑战。实现机械纠缠需要满足两个关键条件：二维基态冷却以及光学和机械模式之间有显著的光谱重叠。但这两个条件相互制约，光谱重叠在促进产生必要关联的同时，却阻碍了高效冷却，大大缩小了可用的参数空间。在这样的背景下，开展相关研究以突破这些困境、推动悬浮光力学进一步发展就显得尤为重要。
来自意大利的多个研究机构，包括佛罗伦萨大学（Università di Firenze）的物理系和天文学系、意大利国家核物理研究所（INFN）佛罗伦萨分部、意大利国家研究委员会 - 光学与纳米技术研究所（CNR - INO）以及欧洲非线性光谱实验室（LENS）的研究人员，针对上述问题展开了深入研究。他们成功实现了高纯度二维悬浮机械振子状态，在强光机械耦合的情况下，不同方向的振荡之间产生了预期的光谱重叠，检测到的腔场光谱形状也体现了这一特性。这一成果意义非凡，不仅为实现二维运动的连续变量纠缠提供了优秀的平台，还对量子信息和传感等领域的发展有着重要推动作用，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
为开展此项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是光镊技术，将 100nm 的二氧化硅纳米球先后加载到不同光镊中，并精确控制其位置。其次是光学腔技术，通过搭建具有特定线宽和自由光谱范围的光学腔，使纳米球的振荡与腔场相互作用。此外，还利用了平衡外差检测技术，用于分析散射到腔模并透过端镜的光，获取关键实验数据。
实验装置与方法
研究人员在低真空条件下，将 100nm 的二氧化硅纳米球加载到第一个光镊中，随后转移至科学腔室的第二个光镊，该光镊由 1064nm 的 Nd:YAG NPRO 激光器提供 250mW 的光功率。通过一对非球面透镜将保偏光纤中的光重新聚焦，光斑腰径小于 1μm，且光镊系统可在光学腔内以纳米精度定位。光学腔由一对几乎同心配置的凹面镜构成，线宽κ/2π=57kHz，自由光谱范围FSR=3.07GHz 。辅助 Nd:YAG 激光器与光学腔频率锁定，光镊激光器与辅助激光器相位锁定，并具有可调节的频率偏移。
实验过程与现象
转移纳米球后，将光镊光相对于腔共振红失谐，使纳米球位于腔轴驻波节点处，并将科学腔室抽至约3×10?5mbar 的压力。利用平衡外差检测分析光信号，得到外差信号频谱。当失谐量接近机械频率时，x和y轴模式被更有效地冷却和展宽，光谱出现大量重叠。
实验数据分析
通过对实验数据的拟合分析，研究人员提取了相关参数，如振荡频率、光机械耦合率、退相干率等。计算得出量子稳态下光机械系统的协方差矩阵，进而推断出x和y模式的热占据数n<sub>x</sub>=0.55±0.03 、n<sub>y</sub>=0.74±0.04，均远低于传统光力学中的阈值 1，表明各一维振子基态的占据概率超过 50%。此外，系统的状态纯度μ=0.209±0.013，高于独立振子情况下的纯度，量子失谐D<sub>X←Y</sub>=0.0423±0.0007、D<sub>Y←X</sub>=0.0471±0.0012，说明系统存在显著的量子关联。
在研究结论与讨论部分，研究人员成功实现了纳米球在光势中的二维运动，其振荡在平面内各个方向主要占据量子基态，且任意一对正交方向之间存在显著关联，系统呈现出独特的二维特性。尽管目前测量到的关联强度还不足以产生机械模式之间的纠缠，但该研究成果为后续实现纠缠奠定了坚实基础。通过引入额外的电磁场，如添加与冷却辐射具有可控相位关系的蓝失谐激光场，有望实现类似超低温微波实验中的振荡量子位纠缠。此外，增加一个光学腔也可能激活具有量子失谐的两个机械振子之间的纠缠。机械纠缠的实现对于创新量子信息方案的发展以及宏观层面量子退相干的研究都具有里程碑式的意义，将为未来量子技术的发展开辟新的道路，推动相关领域的深入研究与应用。
