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研究人员“分裂”声子，迈向新型量子计算机

量子创投界

2023-06-09

导读：在两个实验中，第一个是由Andrew Cleland教授领导的团队，他们使用了一种名为声学分束器的设备来“分裂”声子，从而证明了它们的量子特性。

当我们听我们最喜欢的歌曲时，听起来像是连续的音乐波的东西实际上是以被称为声子的量子粒子的微小包的形式传播的。

量子力学定律认为，量子粒子从根本上是不可分割的，因此不能分裂，但芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究人员正在探索当你试图分裂声子时会发生什么。

在两个实验中，第一个是由Andrew Cleland教授领导的团队，他们使用了一种名为声学分束器的设备来“分裂”声子，从而证明了它们的量子特性。通过证明分束器既可以用于诱导一个声子的特殊量子叠加态，也可以进一步在两个声子之间产生干涉，研究团队迈出了创建新型量子计算机的第一步。

将声子“分裂”成叠加

在实验中，研究人员使用的声子的音高大约是人耳所能听到的音高的一百万倍。此前，Cleland和他的团队发现了如何创建和检测单个声子，并率先将两个声子纠缠在一起。

为了证明这些声子的量子能力，包括Cleland的研究生洪巧在内的团队创造了一种分束器，可以将一束声音一分为二，传输一半，并将另一半反射回其源（光的分束器已经存在，并已被用于证明光子的量子能力）。整个系统，包括两个产生和检测声子的量子位，在极低的温度下工作，并使用单个表面声波声子，这些声子在材料表面传播。

然而，量子物理学认为，单个声子是不可分割的。因此，当该团队将单个声子发送到分束器时，它不是分裂，而是进入量子叠加，即声子同时被反射和透射的状态。观察（测量）声子会使这个量子态坍塌为两个输出中的一个。

该团队找到了一种方法，通过捕获两个量子位中的声子来保持这种叠加状态。量子位是量子计算中信息的基本单位。只有一个量子位真正捕获了声子，但研究人员在测量后才能分辨出是哪个量子位。换句话说，量子叠加从声子转移到两个量子位。Cleland说，研究人员测量了这两个量子位的叠加，得出了“分束器正在产生量子纠缠态的金标准证据”。

显示声子的行为像光子

在第二个实验中，该团队希望展示一种额外的基本量子效应，这种效应在20世纪80年代首次用光子证明，现在被称为洪-欧-曼德尔效应，当两个相同的光子同时从相反的方向发送到分束器时，叠加的输出会发生干涉，因此两个光子总是在一个或另一个输出方向上一起传播。

重要的是，当该团队对声子进行实验时，也发生了同样的情况——叠加输出意味着两个探测器量子位中只有一个捕获声子，朝着一个方向，而不是朝着另一个方向。尽管量子位一次只能捕获一个声子，而不是两个，但放置在相反方向的量子位永远不会“听到”声子，这证明了两个声子都朝着同一方向移动。这种现象被称为双声子干涉。

让声子进入这些量子纠缠态比用光子这样做要大得多。这里使用的声子虽然不可分割，但仍然需要数以万亿计的原子以量子力学的方式协同工作。如果量子力学只在最微小的领域统治物理学，那么它就提出了一个问题，即这个领域从哪里结束，经典物理学从哪里开始，这个实验进一步探讨了这种转变。

创建新型线性机械量子计算机

量子计算机的力量在于量子领域的“怪异”。通过利用叠加和纠缠的奇怪量子力量，研究人员希望解决以前难以解决的问题。实现这一点的一种方法是在所谓的“线性光学量子计算机”中使用光子。

一台使用声子而不是光子的线性机械量子计算机本身就有能力计算新的计算。克莱兰德说：“双声子干涉实验的成功是证明声子等同于光子的最后一件事。” “研究结果证实，我们已经具备了制造线性机械量子计算机所需的技术。”

与基于光子的线性光学量子计算不同，芝加哥大学的平台直接将声子与量子位集成在一起。这意味着声子可能进一步成为混合量子计算机的一部分，该计算机将最好的线性量子计算机与基于量子位的量子计算机的能力相结合。

下一步是创建一个逻辑门，这是使用声子计算的重要组成部分，Cleland和他的团队目前正在对此进行研究。

相关链接

https://phys.org/news/2023-06-phonons-quantum.html

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