“分裂”声子显现量子特性

科技日报记者?张佳欣

日前，美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）安德鲁·克莱兰教授领导的团队使用了一种名为声学分束器的设备来“分裂”声子，从而展示了它们的量子性质。他们证明了分束器可用来诱导一个声子的特殊量子叠加态，并进一步在两个声子之间产生干涉。这一成果发表在最新一期《科学》杂志上，迈出了创造新型量子计算机的关键第一步。

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实验概念图。中央透明器件是声子分束器，蓝球和红球代表单个声子。输出声子处于双声子状态，来自相反方向的“蓝色”声子和“红色”声子组合在一起。
图片来源：彼得·艾伦/物理学家组织网

当人们听到连续不断的音乐，实际上是被称为声子的微小量子粒子包在传输。量子力学定律认为，量子粒子不能分裂，但PME研究人员正在探索分裂声子会发生什么。

在这一实验中，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100万倍。为了展示这些声子的量子能力，该团队创造了一种分束器，可将一束声音一分为二，发射一半，并将另一半反射回其源头。

量子物理学认为，单个声子是不可分割的。因此，当团队向分束器发送单个声子时，它非但没有分裂，反而进入了量子叠加，即声子同时被反射和传输的状态。观察（测量）声子会导致该量子态坍缩为两种输出之一。

该团队找到了一种方法，通过在两个量子比特中捕获声子来维持这种叠加态。实际上只有一个量子比特捕获了声子，但研究人员在测量后才能分辨出是哪个量子比特：换句话说，量子叠加从声子转移到两个量子比特。

研究人员测量了这种两个量子比特的叠加，获得了分束器能创造量子纠缠态的黄金标准的证据。

在另一项实验中，该团队利用声子展示了被称为洪-欧-曼德尔效应的基本量子效应，虽然量子比特一次只能捕获一个声子，但放置在相反方向的量子比特永远“听不到”声子，这证明了两个声子是朝同一个方向移动的。这种现象称为双声子干涉。

双声子干涉实验的成功是证明声子等同于光子的最后一步，这表示他们拥有了建造线性机械量子计算机所需的技术，意味着声子将可能成为混合量子计算机的一部分。