當我們聽我們最喜歡的歌曲時，聽起來像是連續不斷的音樂波實際上是以稱為聲子的微小量子粒子包的形式傳輸的。量子力學定律認為，量子粒子基本上是不可分割的，因此不能分裂，但芝加哥大學普利茲克分子工程學院(PME) 的研究人員正在探索當你試圖分裂聲子時會發生什麼。

在兩個實驗中- 也是同類實驗中的首創，由Andrew Cleland 教授領導的團隊使用一種稱為聲學分束器的裝置來“分裂”聲子，從而證明它們的量子特性。通過證明分束器可用於為一個聲子誘導特殊的量子疊加態，並進一步在兩個聲子之間產生干涉，研究團隊邁出了創建新型量子計算機的第一個關鍵步驟。

該結果最近發表在《科學》雜誌上，並建立在普利茲克分子工程團隊多年在聲子方面的突破性工作的基礎上。

在同類實驗中，普利茲克分子工程學院的一個研究團隊邁出了創建線性機械量子計算機的關鍵步驟。

將聲子“分裂”成疊加態

在實驗中，研究人員使用的聲子音調比人耳所能聽到的高大約一百萬倍。此前，Cleland 和他的團隊弄清楚瞭如何創建和檢測單個聲子，並且是第一個糾纏兩個聲子的人。

為了展示這些聲子的量子能力，包括Cleland 的研究生Hong Qiao 在內的團隊創建了一個分束器，可以將一束聲波分成兩半，傳輸一半並將另一半反射回其源（分束器已經存在用於光並且具有被用來證明光子的量子能力）。整個系統包括兩個用於產生和檢測聲子的量子位，在極低的溫度下運行，並使用單獨的表面聲波聲子，這些聲子在材料表面傳播，在這種情況下是鈮酸鋰。

研究生Hong Qiao（左）和研究生Chris Conner 在Andrew Cleland 教授的實驗室工作。

然而，量子物理學認為單個聲子是不可分割的。因此，當團隊將單個聲子發送到分束器時，它並沒有分裂，而是進入了量子疊加狀態，即聲子同時被反射和傳輸的狀態。觀察（測量）聲子會導致該量子態坍縮為兩個輸出之一。

該團隊找到了一種通過在兩個量子位中捕獲聲子來維持疊加狀態的方法。量子比特是量子計算中信息的基本單位。實際上只有一個量子位捕獲了聲子，但研究人員在測量後才能分辨出是哪個量子位：換句話說，量子疊加從聲子轉移到兩個量子位。研究人員測量了這兩個量子比特的疊加，產生了“分束器正在產生量子糾纏態的黃金標准證據”，克萊蘭說，他也是美國能源部阿貢國家實驗室的科學家。

結果顯示聲子表現得像光子

在第二個實驗中，該團隊想要展示一種額外的基本量子效應，該效應在1980 年代首次用光子證明。現在稱為Hong-Ou-Mandel 效應，當兩個相同的光子同時從相反方向發送到分束器時，疊加的輸出會發生干涉，因此兩個光子總是一起傳播，在一個或另一個輸出方向上。

重要的是，當團隊用聲子進行實驗時，情況也是如此——疊加的輸出意味著兩個探測器量子位中只有一個捕獲聲子，從一個方向而不是另一個方向。儘管量子位一次只能捕獲一個聲子，而不是兩個，但放置在相反方向的量子位永遠不會“聽到”聲子，這證明兩個聲子都朝著相同的方向移動。這種現象稱為雙聲子乾涉。

新論文的作者包括（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（論文的第一作者）、研究生Haoxiong Yan、研究生Xuntao Wu 和博士後研究員Gustav Andersson。

與光子相比，讓聲子進入這些量子糾纏態是一個更大的飛躍。這裡使用的聲子雖然不可分割，但仍然需要數千萬億個原子以量子力學方式協同工作。如果量子力學只在最微小的領域統治物理學，那麼它就會提出這個領域的終點和經典物理學的起點的問題； 該實驗進一步探討了這種轉變。

Cleland 說：“所有這些原子都必須一致地表現在一起，以支持量子力學所說的它們應該做的事情。這有點不可思議。 量子力學的奇異之處不受大小的限制。”

創建一台新的線性機械量子計算機

量子計算機的強大之處在於量子領域的“怪異”。通過利用疊加和糾纏的奇怪量子力量，研究人員希望解決以前棘手的問題。一種方法是在所謂的“線性光學量子計算機”中使用光子。

使用聲子而不是光子的線性機械量子計算機本身就有能力進行新的計算。“雙聲子乾涉實驗的成功是表明聲子等同於光子的最後一塊，”Cleland說。“結果證實我們擁有構建線性機械量子計算機所需的技術。”

與基於光子的線性光量子計算不同，UChicago 平台直接將聲子與量子比特集成在一起。這意味著聲子可以進一步成為混合量子計算機的一部分，它將最好的線性量子計算機與基於量子位的量子計算機的能力結合起來。

下一步是使用聲子創建邏輯門- 計算的重要組成部分，Cleland 和他的團隊目前正在對此進行研究。