美国斯坦福大学研究人员首次实时测量声音的量子跳跃

美国斯坦福大学的研究人员首次实时测量了声音的量子跳跃，这一成就为科学探索开辟了新的方向，并可能立即应用于量子计算和传感技术。量子跳跃是量子系统能量状态的突变。量子跳跃的概念已经存在超过一百年，理论物理学家尼尔斯·玻尔于 1913 年首次提出此概念。直到 1986 年，科学家首次观察到被困离子中的量子跳跃，随后在 2007 年观察到了光子中的量子跳跃，光子是光的基本粒子。

声音的量子跳跃首次观察

近二十年后，由斯坦福大学物理学家阿米尔·萨法维-纳伊尼领导的科学家团队观察到了声音的基本单位——声子中的量子跳跃。 为了解释他们的发现，萨法维-纳伊尼举了敲响钟声的例子，声音会随着时间逐渐减弱，而不是瞬间消失。然而，在量子层面上，这些减少是以跳跃的方式发生的，萨法维-纳伊尼的团队实时测量了这些跳跃，这是前所未有的成就。他们是如何测量的呢？为了进行这一测量，研究人员建造了一个与电脑芯片规模相当的机械共振器。

共振器的小尺寸允许在单一芯片上放置多个单元。这个共振器就像音叉一样，受到撞击时会发出共鸣。然而，研究人员设计的共振器具有仅两毫秒的"共鸣"时间。虽然这听起来极小，但在该共振器运作的微观尺度上，这相当于音叉振动数小时。因此，该共振器的长共振时间或"衰减时间"使得研究人员能够进行数百次读数，准确标记其振动从 1 转变为 0 或进行量子跳跃的时刻。

挑战与解决方案

挑战与解决方案 研究量子系统的主要挑战之一是如何在不干扰其脆弱状态的情况下将信号提取出来。斯坦福的研究团队找到了一种方法，将共振器与超导量子比特配对，使其能够作为探测器。配对的量子比特使研究人员能够实时检测量子跳跃发生的精确时刻。除了能够实时检测量子跳跃，这项研究还为未来许多量子发展奠定了基础。例如，在量子计算中，脆弱的量子状态可能导致计算完成前出现错误。

这些量子跳跃被视为错误，但确定它们发生的确切时间一直很困难。检测量子跳跃的能力可能很快会改变。微观共振器与量子比特的配对也可用于精确传感，萨法维-纳伊尼及其团队已经与加州理工学院的研究人员合作，检测和识别细胞中的蛋白质。由于声音对许多现代设备如智能手机至关重要，因此这些领域也可能出现潜在应用。 萨法维-纳伊尼在新闻稿中表示："我们已经看到振动物体可以表现出量子行为，这是量子计算和传感所需的许多操作的先决条件。

这项研究所展示的将使我们能够推进发展新型量子技术与声音相关的应用。"该研究结果发表在《科学》期刊上。

量子跳跃检测对科技的影响

声音的量子跳跃检测是量子科技的一大突破，这不仅推进了量子计算的发展，还可能改变传感技术的应用。研究团队通过创新设计的共振器，成功在不干扰量子状态的情况下，实时检测量子跳跃的时刻，这对于未来量子技术的应用至关重要。随着量子技术的进步，可能会出现更多与声音相关的应用，进一步拓展科技的边界。