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聲子是構(gòu)成聲音的最小量子單元，它們與光子等粒子一樣，也遵循量子力學(xué)的規(guī)則。研究人員認(rèn)為，基于聲子的量子計(jì)算機(jī)芯片可以設(shè)計(jì)得如普通芯片一樣大小，這為量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)發(fā)展打開(kāi)了新的大門(mén)。
文 | 陳強(qiáng)
當(dāng)你打開(kāi)一盞燈照亮房間時(shí)，你體驗(yàn)到的是由無(wú)數(shù)個(gè)光子構(gòu)成的光束。光子是構(gòu)成光的粒子，它們是微小的、離散的能量量子包。光子遵循著量子力學(xué)中的那些古怪的定律。例如，這些定律規(guī)定光子是不可分割的，但允許光子同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方。
與構(gòu)成光線的光子類似，構(gòu)成聲音的不可分割的粒子被稱為“聲子”。聲子本質(zhì)上是數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的原子的集體運(yùn)動(dòng)，就像運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上由成千上萬(wàn)個(gè)觀眾進(jìn)行的“人浪”活動(dòng)。當(dāng)聽(tīng)一首歌時(shí)，你聽(tīng)到的其實(shí)是由聲子組成的粒子流。
與光子一樣，聲子也遵循相同的量子力學(xué)規(guī)則。然而，目前針對(duì)聲子的相關(guān)研究仍處于起步階段。最近，美國(guó)芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究人員制造了一個(gè)每次可產(chǎn)生單個(gè)聲子的設(shè)備，該設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)芯片大小，由一種完美的導(dǎo)電材料制成，被放置在超低溫環(huán)境中。有了這種設(shè)備，研究人員就可以來(lái)探索聲子的量子特性。
用分束器“分割”聲子
就像可反射光束的鏡子一樣，這些研究人員使用可反射聲束的“聲鏡”，來(lái)探索聲子的量子特性。在最近的一次實(shí)驗(yàn)中，他們使用了一種“半透”聲鏡，被稱為“分束器”。這種聲鏡會(huì)把一半的聲音反射出去，讓另一半的聲音透射過(guò)去。研究人員決定測(cè)試當(dāng)一個(gè)聲子對(duì)準(zhǔn)分束器時(shí)會(huì)發(fā)生什么。
因?yàn)槁曌邮遣豢煞指畹?。在與分束器相互作用后，聲子最終會(huì)進(jìn)入所謂的“疊加態(tài)”。此時(shí)，聲子同時(shí)處于兩種狀態(tài)下：它被分束器反射的同時(shí)，也從分束器透射了過(guò)去。如果你想使用檢測(cè)器來(lái)干預(yù)并檢測(cè)聲子，那么聲子的疊加態(tài)就會(huì)發(fā)生“坍縮”，其狀態(tài)會(huì)變?yōu)槠渲械囊环N：有一半的概率你會(huì)檢測(cè)到它被分束器反射，有一半的概率你會(huì)檢測(cè)到它從分束器透射過(guò)去。檢測(cè)導(dǎo)致了疊加態(tài)的坍縮，如果沒(méi)有檢測(cè)過(guò)程，聲子將保持同時(shí)處于反射和透射的疊加態(tài)。
光子也有這種疊加態(tài)，科學(xué)家早在幾十年前就檢測(cè)到了這個(gè)現(xiàn)象?，F(xiàn)在，上面的實(shí)驗(yàn)表明，聲子也具有相同的量子特性。
讓聲子糾纏在一起
在證明聲子可以像光子一樣進(jìn)入疊加態(tài)之后，研究人員提出了一個(gè)更復(fù)雜的問(wèn)題。他們想知道如果將兩個(gè)相同的聲子在兩個(gè)不同的方向上發(fā)送到分束器中會(huì)發(fā)生什么。
實(shí)驗(yàn)證明，每個(gè)聲子都會(huì)進(jìn)入疊加態(tài)。但如果精確地調(diào)整兩個(gè)聲子的發(fā)射時(shí)間，讓它們彼此發(fā)生干擾，那么發(fā)送到分束器的結(jié)果是，兩個(gè)聲子各自的疊加態(tài)會(huì)融合在一起，形成一個(gè)單一的疊加態(tài)：兩個(gè)聲子一起被反射的同時(shí)，也一起透射過(guò)去。
事實(shí)上，這兩個(gè)聲子是處于量子糾纏的狀態(tài)，彼此可以在瞬間相互影響。這意味著，檢測(cè)一個(gè)聲子是被反射還是透射過(guò)去，會(huì)立馬迫使另一個(gè)聲子進(jìn)入相同的狀態(tài)中。
所以，如果你進(jìn)行檢測(cè)，你總會(huì)檢測(cè)到兩個(gè)聲子，它們要么都被反射，要么都透射過(guò)去，永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)有一個(gè)被反射，另一個(gè)透射過(guò)去。兩個(gè)相同光子發(fā)送到分束器時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生相同的效應(yīng)，這被稱為“洪-歐-曼德?tīng)栃?yīng)”（Hong-Ou-Mandel effect），它是以 1987 年首次預(yù)測(cè)和觀察到這種效應(yīng)的三位物理學(xué)家的姓氏命名的。現(xiàn)在，研究人員也已經(jīng)用聲子證明了這種效果。
新型量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)
這些結(jié)果表明，聲子與光子一樣，都具有相同的量子特性，可進(jìn)入量子糾纏狀態(tài)中。研究人員認(rèn)為，我們可以利用聲子來(lái)構(gòu)建一種新型量子計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在，人們一直在利用光子努力構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。這些量子計(jì)算機(jī)通過(guò)使用大量的糾纏光子，來(lái)解決許多傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，例如大數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解或模擬量子系統(tǒng)。
研究人員認(rèn)為，與當(dāng)前傳統(tǒng)的量子計(jì)算機(jī)相比，基于聲子的量子計(jì)算機(jī)可以設(shè)計(jì)得非常緊湊。如果聲子技術(shù)能夠得到進(jìn)一步的擴(kuò)展和改進(jìn)，那么基于聲子的量子計(jì)算機(jī)芯片可以設(shè)計(jì)得如普通芯片一樣大小，使得它們更具有實(shí)用價(jià)值。
由于許多量子物體也能與聲子發(fā)生相互作用，基于聲子的量子計(jì)算機(jī)也可以與傳統(tǒng)的量子計(jì)算機(jī)結(jié)合在一起。研究人員推測(cè)，結(jié)合后的量子計(jì)算機(jī)也許會(huì)有著更為獨(dú)特的計(jì)算能力。
參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1126/science.adg8715
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