敲响一口钟，声音听起来是慢慢消失的，但在量子世界里，它其实是"一跳一跳"没掉的，这也是斯坦福大学团队这次研究最形象的注脚。
美国斯坦福大学的一支研究团队，首次在真实时间里，直接观测到了声音的量子跃迁现象，这在全球尚属首次。
这项研究由斯坦福大学物理学家阿米尔·萨法维-纳伊尼领衔完成，相关成果已经发表在权威期刊《科学》上，引发了物理学界的广泛关注。
从1913年到今天：量子跃迁的百年追猎
量子跃迁指的是一个量子系统，从一个能量状态突然跳跃到另一个能量状态的现象。
这个概念已经有超过百年历史，最早由理论物理学家尼尔斯·玻尔在1913年提出。科学家此前已经分别在离子和光子身上验证过这种跃迁现象，1986年首次在囚禁离子中观测到，2007年又在光的基本粒子光子中得到证实。
唯独声音的量子跃迁，也就是发生在"声子"这种声音基本单位身上的跃迁，一直迟迟没能被直接观测到。
萨法维-纳伊尼用一个生活化的例子来解释这项发现，他提到敲响一口钟之后，声音听起来是逐渐减弱的，而不是突然消失的。
但在量子层面，这种能量的衰减其实是分步进行的，是以离散的"跳跃"方式发生的，而萨法维-纳伊尼团队这次首次在真实时间里，直接捕捉到了这些跳跃。
芯片尺度的"音叉"，配合超导量子比特读数
为了完成这次测量，研究团队专门制造了一个芯片尺度的微型机械谐振器。
这个谐振器体积很小，需要借助显微镜才能观察到，但制造工艺和普通芯片相差不大。体积小也意味着，未来有可能在同一块芯片上集成多个这样的谐振器，用来执行更复杂的功能。
这个谐振器就像一把音叉，被敲击后会发出"鸣响"，团队特意把它的"鸣响"时间设计得足够长，达到了2毫秒。放到宏观尺度类比，这相当于一把普通音叉能持续振动数个小时之久，这样的设计给了研究团队充足的观测窗口。
要在不破坏这种脆弱量子状态的前提下提取信号，一直是量子工程领域的一大难题。
为了解决这个问题，论文共同第一作者高间拓真和埃里克·萨基尔，把这个微型机械谐振器与一枚超导量子比特配对使用。这套组合能够耦合到声子数这类离散能级上，而不是单纯测量谐振器的物理位移，从而真正把这种量子化的跳跃过程揭示出来。
借助这套装置，团队在谐振器"鸣响"逐渐衰减的过程中，连续进行了数百次读数，成功捕捉到振动能量从数值1跳跃到0的精确瞬间。
值得一提的是，研究团队所使用的谐振器材料是铌酸锂，这种材料在声学和光学领域都有着广泛应用，也让整套装置具备了较好的可扩展性。
声子版量子计算，或许正在路上
这项研究的意义，并不止于验证一个存在了百余年的理论概念。
萨法维-纳伊尼表示，这项研究证明了振动物体确实可以表现出量子行为，而这正是量子计算和量子传感所需要的诸多操作的前提条件。
从更长远的视角看，声子在物理性质上和光子颇为相似，此前已经有团队展示过基于声子的单光子源与探测器。
如果未来能够进一步开发出成熟的声子分束器等元件，基于声音的线性量子计算方案，或许有机会成为光子量子计算之外的另一条技术路线。
科学家早在几年前就已经在探索利用超导量子比特，实现两个单声子之间的干涉现象，这被认为是构建两比特量子门的一项必要前提，也是迈向真正实用化声子量子计算机的重要一步。
这项研究同时也为量子计算中的纠错技术，打开了一条新的探索思路，具备立即可应用的潜力，被认为是这一领域近期最具启发性的成果之一。
对于整个量子科技领域来说，声音这个人类最熟悉的物理现象之一，如今正在成为通往下一代量子技术的一把新钥匙。
值得一提的是，这项研究从玻尔在1913年提出量子跃迁概念，到如今声音的量子跃迁被真正观测到，前后跨越了一个多世纪，堪称一场跨越百年的科学接力。
对于身处量子计算竞赛中的各国实验室而言，多一条基于声子的技术路线，也意味着多一种规避现有光子和超导比特方案局限性的可能选择。
热门跟贴