美國史丹福大學研究人員首次實時測量聲音的量子跳躍

美國斯坦福大學的研究人員首次實時測量了聲音的量子跳躍，這一成就為科學探索開闢了新的方向，並可能立即應用於量子計算和傳感技術。量子跳躍是量子系統能量狀態的突變。量子跳躍的概念已經存在超過一百年，理論物理學家尼爾斯·玻爾於 1913 年首次提出此概念。直到 1986 年，科學家首次觀察到被困離子中的量子跳躍，隨後在 2007 年觀察到了光子中的量子跳躍，光子是光的基本粒子。

聲音的量子跳躍首次觀察

近二十年後，由斯坦福大學物理學家阿米爾·薩法維-納伊尼領導的科學家團隊觀察到了聲音的基本單位——聲子中的量子跳躍。 為瞭解釋他們的發現，薩法維-納伊尼舉了敲響鐘聲的例子，聲音會隨著時間逐漸減弱，而不是瞬間消失。然而，在量子層面上，這些減少是以跳躍的方式發生的，薩法維-納伊尼的團隊實時測量了這些跳躍，這是前所未有的成就。他們是如何測量的呢？為了進行這一測量，研究人員建造了一個與電腦晶片規模相當的機械共振器。

共振器的小尺寸允許在單一晶片上放置多個單元。這個共振器就像音叉一樣，受到撞擊時會發出共鳴。然而，研究人員設計的共振器具有僅兩毫秒的「共鳴」時間。雖然這聽起來極小，但在該共振器運作的微觀尺度上，這相當於音叉振動數小時。因此，該共振器的長共振時間或「衰減時間」使得研究人員能夠進行數百次讀數，準確標記其振動從 1 轉變為 0 或進行量子跳躍的時刻。

挑戰與解決方案

挑戰與解決方案 研究量子系統的主要挑戰之一是如何在不幹擾其脆弱狀態的情況下將信號提取出來。斯坦福的研究團隊找到了一種方法，將共振器與超導量子比特配對，使其能夠作為探測器。配對的量子比特使研究人員能夠實時檢測量子跳躍發生的精確時刻。除了能夠實時檢測量子跳躍，這項研究還為未來許多量子發展奠定了基礎。例如，在量子計算中，脆弱的量子狀態可能導致計算完成前出現錯誤。

這些量子跳躍被視為錯誤，但確定它們發生的確切時間一直很困難。檢測量子跳躍的能力可能會很快改變。微觀共振器與量子比特的配對也可用於精確傳感，薩法維-納伊尼及其團隊已經與加州理工學院的研究人員合作，檢測和識別細胞中的蛋白質。由於聲音對許多現代設備如智能手機至關重要，因此這些領域也可能出現潛在應用。 薩法維-納伊尼在新聞稿中表示：「我們已經看到振動物體可以表現出量子行為，這是量子計算和傳感所需的許多操作的先決條件。

這項研究所展示的將使我們能夠推進發展新型量子技術與聲音相關的應用。」該研究結果發表在《科學》期刊上。

量子跳躍檢測對科技的影響

聲音的量子跳躍檢測是量子科技的一大突破，這不僅推進了量子計算的發展，還可能改變傳感技術的應用。研究團隊透過創新設計的共振器，成功在不干擾量子狀態的情況下，實時檢測量子跳躍的時刻，這對於未來量子技術的應用至關重要。隨著量子技術的進步，可能會出現更多與聲音相關的應用，進一步拓展科技的邊界。