在日常经验中，一只被敲响的钟会逐渐停止振动，看起来这是一个连续的衰减过程。但在量子世界里，事情并不是这样的。量子力学预言，类似这样的机械振动系统，其振动能量并不是连续变化的，而是只能在离散的能态之间发生跃迁。这一现象早在20世纪初就已经被提出。
1986年，科学家首次在俘获离子中直接观察到这种跃迁；2007年，又在光子体系中观测到了类似现象。但声音的量子跃迁一直更难捕捉。与光子不同，声子并不是单个粒子，而是大量原子集体振动的量子，因此要直接观察它的量子行为更加困难。
如今，在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个研究团队成功实现了这一点：他们首次直接观测到了机械共振器在第一激发态与基态之间发生的量子跃迁，也就是直接捕捉到声音的量子跃迁。为一段始于一百多年前的科学探索画上了重要的一笔。
声音的量子跃迁
在这项研究中，研究人员使用的是一种由薄膜铌酸锂制成的一维声子晶体腔，也就是一种纳米机械共振器。真正让这项突破成为可能的一个关键，是这个共振器能够持续“鸣响”足够长的时间。这个共振器的工作方式有些像一把微型音叉，可以持续振动大约2毫秒。作为对比，如果一把普通尺寸的音叉具有同样的振动保持能力，那么它将能够持续鸣响数个小时。
共振器较长的衰荡时间，使研究人员能够在一次振动衰减过程中进行数百次测量，从而实时追踪其量子态，并确定它从第一激发态跃迁到基态的具体时刻。
为了完成这项实验，研究人员还必须克服量子工程中的一个长期难题。量子系统是非常容易被测量本身扰动的，很多时候，“看一眼”系统，就会改变它原来的量子态。但这项实验要连续、反复的测量，才能知道量子跃迁究竟发生在什么时候，所以难点就在于：如何在不扰动脆弱量子态的情况下，从量子系统中读取信号。
为此，研究人员开发出了一种方法，将纳米机械共振器与超导量子比特耦合起来，让量子比特充当电学探测器。难点在于，两者集成后必须同时保持良好的性能。借助这种耦合，量子比特可以读取机械共振器中正在发生的变化；在大约2毫秒的振动过程中，它实际上会持续判断系统处于第一激发态还是基态。
最终，研究人员实时记录到了机械共振器在第一激发态和基态之间发生的量子跃迁。
从观测到应用
除了这一具有基础科学意义的观测之外，实时探测声音量子跃迁的能力，也可能为量子技术带来实际应用。首先，它可能服务于量子计算中的纠错。量子计算有望处理一些传统计算机难以完成的复杂计算，但量子态非常脆弱，往往会在计算完成之前受到扰动并产生错误。在许多量子计算架构中，一次量子跃迁就可能意味着一次错误，而过去很难确定这些跃迁究竟是在什么时候发生的。因此，这些研究为基于机械量子系统的纠错提供了新的可能。
与此同时，这种机械共振器与超导量子比特组成的平台还具有尺寸小、灵敏度高的特点，因此也适合用于高精度量子传感。研究团队已经开始探索利用这一平台探测并识别细胞内部的蛋白质。
从更长远的角度看，这项工作还展示了人们对声音进行精细控制能够达到怎样的尺度。声音本就是智能手机和大量电子设备中的基础技术之一，而当这种控制深入到单个声子的量子层面时，也可能为下一代声学器件和量子技术打开新的空间。
#参考来源：
https://humsci.stanford.edu/feature/researchers-observe-first-real-time-quantum-jump-sound
https://quantumzeitgeist.com/stanford-humanities-quantum-jump-sound-captures/
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeh7535
#图片来源：
封面及首图素材来源：Erik Szakiel
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