物理学家用量子麦克风计算声音粒子

斯坦福大学的物理学家开发了一种“量子麦克风”，它非常灵敏，可以测量声子的各个粒子，称为声子。

该设备在7月24日的《自然》杂志上进行了详细介绍，最终可能会导致体积更小，效率更高的量子计算机，它们通过操纵声音而不是光线来进行操作。

斯坦福大学人文与自然科学学院应用物理学助理教授阿米尔·萨法维·纳尼尼(Amir Safavi-Naeini)说：“我们希望该设备能够为未来的量子机器提供新型的量子传感器，换能器和存储设备。”

运动量子

声子最初由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)于1907年提出，它是由抖动原子发出的振动能量包。这些不可分割的运动包或量子，取决于它们的频率，表现为声音或热量。

像光子一样，光子是光的量子载体，声子被量化，这意味着它们的振动能量被限制在离散的值上，类似于楼梯由不同的台阶组成。

Safavi-Naeini说：“声音具有我们通常不会遇到的粒度。” “在量子水平上，声音crack啪作响。”

机械系统的能量可以根据其产生的声子的数量表示为不同的“ Fock”状态(0、1、2等)。例如，“ 1 Fock状态”由具有特定能量的一个声子组成，“ 2 Fock状态”由具有相同能量的两个声子组成，依此类推。较高的声子状态对应于较大的声音。

直到现在，科学家们仍无法直接测量工程结构中的声子状态，因为状态之间的能量差(在阶梯比喻中，台阶之间的间距)很小。这项研究的共同第一作者，研究生帕特里西奥·阿兰戈兹·阿里奥拉说：“一个声子所对应的能量比保持灯泡点亮一秒钟所需的能量小十万亿亿倍。”

为了解决这个问题，斯坦福大学的研究小组设计了世界上最灵敏的麦克风-一种利用量子原理窃听原子耳语的麦克风。

在普通的麦克风中，传入的声波在内部膜片上晃动，这种物理位移被转换成可测量的电压。这种方法不适用于检测单个声子，因为根据海森堡不确定性原理，如果不更改量子对象的位置，则无法精确知道它的位置。

Safavi-Naeini说：“如果您试图用普通的麦克风来测量声子的数量，那么这种测量行为会将能量注入到系统中，从而掩盖了您试图测量的能量。”

取而代之的是，物理学家们发明了一种直接测量声波中福克状态的方法，从而测量声子的数量。Safavi-Naeini说：“量子力学告诉我们，位置和动量无法精确知道，但它并没有说明能量。” “能量可以无限精确地知道。”

歌唱量子比特

该小组开发的量子麦克风由一系列过冷的纳米机械谐振器组成，它们很小，以至于只有通过电子显微镜才能看到。谐振器耦合到超导电路，该电路包含无电阻运动的电子对。该电路形成一个量子比特或量子比特，它可以同时处于两种状态，并具有自然频率，可以用电子方式读取。当机械谐振器像鼓面一样振动时，它们会产生处于不同状态的声子。

Arrangoiz-Arriola说：“谐振器是由周期性结构构成的，它们像声音的镜子一样起作用。通过在这些人造晶格中引入缺陷，我们可以将声子捕获在结构的中间，” Arrangoiz-Arriola说。

像不守规矩的囚犯一样，被困的声子在监狱的墙壁上发出嘎嘎作响，这些机械运动通过超细电线传递到量子比特。“当量子位的频率和谐振器的频率几乎相同时，量子位对位移的敏感性特别强，”斯坦福大学的研究生，第一作者，联合作者亚历克斯·沃尔拉克说。

但是，通过使系统失谐，从而使量子位和谐振器以非常不同的频率振动，研究人员削弱了这种机械连接，并触发了一种量子相互作用，称为色散相互作用，将量子位直接连接到声子。

该键导致量子位的频率与谐振器中声子的数量成比例地偏移。通过测量量子位的声调变化，研究人员可以确定振动谐振器的量化能级，从而有效地解决了声子本身。

Safavi-Naeini说：“不同的声子能级在量子位谱中表现为不同的峰值。” “这些峰对应于0、1、2等Fock状态。这些多峰以前从未见过。”

机械量子力学

掌握精确产生和检测声子的能力可以帮助为新型量子设备铺平道路，这些量子设备可以存储和检索编码为声音粒子的信息，或者可以在光信号和机械信号之间无缝转换。

可以想象，这样的装置可以比使用光子的量子机器更紧凑，更高效，因为声子更容易操纵，并且波长比光粒子小数千倍。

Safavi-Naeini说：“目前，人们正在使用光子对这些状态进行编码。我们希望使用声子，这带来了很多优势。” “我们的设备是迈向制造'机械量子力学'计算机的重要一步。”

斯坦福大学的其他合著者包括研究生王兆友，姜文涛，蒂莫西·麦肯纳和杰里米·威特默，以及博士后研究员Marek Pechal和RaphëlVan Laer。

这项研究是由戴维和露西尔·帕卡德奖学金，斯坦福大学泰曼奖学金和美国海军研究办公室资助的。