新实验，证实了声子的量子特性
新实验，证实了声子的量子特性Original 小雨
原理
2023-07-11 05:44
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光子是一种我们熟知的微观粒子。当一盏灯被打开照亮了房间时，光就正以光子的形式传送能量。这些微小的、离散的量子能量包，遵循着量子力学中的一些奇怪的法则，例如，光子虽然不可再分，但一个光子却又被允许同时出现在两个地方。
与构成了光束的光子类似的是，构成“声束”的声子，也是一种不可再分的量子粒子。简单来说，声子是材料内部的基本量子振动，代表着数万亿原子的集体运动，就像足球看台上的“人浪”是由成千上万的球迷集体运动产生的一样。当我们听一首歌时，听起来连续的音乐声实际上是由这些非常小的量子粒子传递的。
关于声子的一个基本问题是，代表了大约10¹⁵个原子的运动的声子，它们的行为真的遵循量子力学的预测吗？一直以来，制造和探测单个声子的技术，都落后于制造和探测光子的技术。
在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个研究团队创造了一种声波分束器，他们将声子“分裂”，并将它们纠缠在了一起，证实了声子的量子特性。研究人员认为，这一成果为一种新型量子计算机的创建迈出了关键一步。
分裂声子
在物理学的光学实验室中，光子分束器是一种能将光束分成两束的装置，一束被传输，一束被反射。然而，在声子实验中，这样的装置是缺失的。
在新的研究中，为了探索声子的量子特性，研究人员创造了一种声子分束器。这种分束器包括两个在极低的温度下运作的用于产生和探测声子的超导量子比特。他们使用了大约比人耳所能听到的声音高一百万倍的声子，这些声子是在表面传播的表面声波声子。在实验中，他们使用的材料是铌酸锂。
研究人员想知道，如果将单个声子发送到分束器时会发生什么。他们观察到，在与分束器相互作用后，声子不是分裂，而是进入量子叠加态。在这种叠加态下，声子同时既被反射又被传输。对声子进行测量，会使声子的量子叠加态坍缩为其中一个。这一结果明确地表明，声子具备与光子类似的量子特性。
纠缠声子
在证明声子可以像光子一样进入量子叠加态之后，研究人员提出了一个更复杂的问题。他们想知道，如果将两个相同的声子分别从两个方向送入分束器，会发生什么。
事实上，研究人员想要探讨的是一种在上世纪80年代就已经用光子证明的量子效应——Hong-Ou-Mandel效应。在这种效应中，当两个相同的光子从相反的方向同时发送到分束器时，叠加的输出会发生干扰，因此这两个光子总是在同一个输出方向上一起行进，而不会出现两个光子朝着两个方向行进的现象。
在研究人员进行的第二项实验中，他们证实了声子也会出现同样的情况。两个声子都会进入一种类似的半传输半反射的叠加态。具体来说，他们观察到的情况是，两个向一个方向移动的声子和两个向另一个方向移动的声子处于叠加态，因此这两个声子被纠缠在了一起。这表明，新的实验证实了声子的Hong-Ou-Mandel效应。
让声子进入这种量子纠缠态比让光子进入这种纠缠态的难度要大得多。因为即使这些声子不可再分，但它们仍然需要万亿个原子以量子力学的方式一起运动。如果量子力学只支配最小尺度的物理学，那么就会产生这样的问题：这个领域的边界在哪里，经典物理学又从哪里开始？这个实验进一步探讨了这一过渡。
量子计算的新可能
量子计算机的强大之处在于量子领域的“怪异”。长期以来，科学家都希望能够利用叠加和纠缠的奇异力量，来解决以前难以解决的问题。而实现这一目标的一种方法就是在所谓的“线性光学量子计算机”中使用光子。
而使用声子而非光子建造的线性机械量子计算机，则可以非常紧凑和独立，它们能完全建立在一个类似于笔记本电脑处理器的芯片之上。新的研究结果表明，现在科学家拥有了建造线性机械量子计算机所需的关键技术，这或将为量子计算带来新的、独特的计算能力。
#创作团队：
撰文：小雨排版：雯雯
#参考来源：
https://pme.uchicago.edu/news/pritzker-molecular-engineering-researchers-split-phonons-or-sound-step-toward-new-type-quantum
https://theconversation.com/how-splitting-sound-might-lead-to-a-new-kind-of-quantum-computer-207974https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715https://physics.aps.org/articles/v16/99#图片来源：
封面图&首图：Peter Allen via University of Chicago
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