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研究人员“分裂”声子 迈向新型线性机械量子计算机 天天播资讯
发布时间：2023-06-12 11:37:12 文章来源：cnBeta
量子力学定律认为，量子粒子基本上是不可分割的，因此不能分裂，但芝加

当我们听我们最喜欢的歌曲时，听起来像是连续不断的音乐波实际上是以称为声子的微小量子粒子包的形式传输的。量子力学定律认为，量子粒子基本上是不可分割的，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。


【资料图】

在两个实验中 - 也是同类实验中的首创，由 Andrew Cleland 教授领导的团队使用一种称为声学分束器的装置来“分裂”声子，从而证明它们的量子特性。 通过证明分束器可用于为一个声子诱导特殊的量子叠加态，并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个关键步骤。

该结果最近发表在《科学》杂志上，并建立在普利兹克分子工程团队多年在声子方面的突破性工作的基础上。

在同类实验中，普利兹克分子工程学院的一个研究团队迈出了创建线性机械量子计算机的关键步骤。

将声子“分裂”成叠加态

在实验中，研究人员使用的声子音调比人耳所能听到的高大约一百万倍。 此前，Cleland 和他的团队弄清楚了如何创建和检测单个声子，并且是第一个纠缠两个声子的人。

为了展示这些声子的量子能力，包括 Cleland 的研究生 Hong Qiao 在内的团队创建了一个分束器，可以将一束声波分成两半，传输一半并将另一半反射回其源（分束器已经存在用于光并且具有 被用来证明光子的量子能力）。 整个系统包括两个用于产生和检测声子的量子位，在极低的温度下运行，并使用单独的表面声波声子，这些声子在材料表面传播，在这种情况下是铌酸锂。

研究生 Hong Qiao（左）和研究生 Chris Conner 在 Andrew Cleland 教授的实验室工作。

然而，量子物理学认为单个声子是不可分割的。 因此，当团队将单个声子发送到分束器时，它并没有分裂，而是进入了量子叠加状态，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个输出之一。

该团队找到了一种通过在两个量子位中捕获声子来维持叠加状态的方法。 量子比特是量子计算中信息的基本单位。 实际上只有一个量子位捕获了声子，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。 研究人员测量了这两个量子比特的叠加，产生了“分束器正在产生量子纠缠态的黄金标准证据”，克莱兰说，他也是美国能源部阿贡国家实验室的科学家。

结果显示声子表现得像光子

在第二个实验中，该团队想要展示一种额外的基本量子效应，该效应在 1980 年代首次用光子证明。 现在称为 Hong-Ou-Mandel 效应，当两个相同的光子同时从相反方向发送到分束器时，叠加的输出会发生干涉，因此两个光子总是一起传播，在一个或另一个输出方向上。

重要的是，当团队用声子进行实验时，情况也是如此——叠加的输出意味着两个探测器量子位中只有一个捕获声子，从一个方向而不是另一个方向。 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，这证明两个声子都朝着相同的方向移动。 这种现象称为双声子干涉。

新论文的作者包括（左起）研究生 Rhys Povey、研究生 Chris Conner、研究生 Jacob Miller、研究生 Yash Joshi、研究生 Hong Qiao（论文的第一作者）、研究生 Haoxiong Yan、研究生 Xuntao Wu 和博士后研究员 Gustav Andersson。

与光子相比，让声子进入这些量子纠缠态是一个更大的飞跃。 这里使用的声子虽然不可分割，但仍然需要数千万亿个原子以量子力学方式协同工作。 如果量子力学只在最微小的领域统治物理学，那么它就会提出这个领域的终点和经典物理学的起点的问题； 该实验进一步探讨了这种转变。

Cleland 说：“所有这些原子都必须一致地表现在一起，以支持量子力学所说的它们应该做的事情。这有点不可思议。 量子力学的奇异之处不受大小的限制。”

创建一台新的线性机械量子计算机

量子计算机的强大之处在于量子领域的“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棘手的问题。 一种方法是在所谓的“线性光学量子计算机”中使用光子。

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进行新的计算。 “双声子干涉实验的成功是表明声子等同于光子的最后一块，”Cleland说。 “结果证实我们拥有构建线性机械量子计算机所需的技术。”

与基于光子的线性光量子计算不同，UChicago 平台直接将声子与量子比特集成在一起。 这意味着声子可以进一步成为混合量子计算机的一部分，它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结合起来。

下一步是使用声子创建逻辑门 - 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。

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