分类
斯坦福大学新闻

斯坦福大学的物理学家用量子麦克风计数声音粒子

窃听原子量子窃窃私语的装置可以构成一种新型量子计算机的基础。

斯坦福大学的物理学家发明了一种“量子麦克风”,它非常灵敏,可以测量单个的声音粒子,称为声子。

Artist's impression of an array of nanomechanical resonators designed to generate and trap sound particles, or phonons.

设计用来产生和捕获声音粒子或声子的纳米机械谐振器阵列的印象。被捕获声子的机械运动由量子位元探测器感知,量子位元探测器根据谐振腔中声子的数量改变频率。不同的声子数在量子位谱中可以看到不同的峰,这些峰在谐振器后面的示意图中显示出来。(图片来源:江文涛)

7月24日发表在《自然》(Nature)杂志上的这一装置的详细内容,可能最终会制造出更小、更高效的量子计算机,通过操纵声音而不是光来运行。

斯坦福大学人文科学学院应用物理学助理教授、研究负责人阿米尔·萨法维-纳伊尼说:“我们希望这种设备能够为未来的量子机器提供新型的量子传感器、传感器和存储设备。”

量子运动

声子是由阿尔伯特·爱因斯坦于1907年首次提出的,是由振动的原子发出的振动能量包。这些不可分割的运动包,或量子,根据它们的频率以声音或热的形式表现出来。

像光子一样,声子是光的量子载体,声子是量子化的,这意味着它们的振动能量被限制在离散值上——类似于楼梯是由不同的台阶组成的。

Safavi-Naeini说:“声音具有我们通常不会经历的粒度。”“声音,在量子级,噼啪作响。”

一个机械系统的能量可以表示为不同的“Fock”状态——0,1,2,依此类推——基于它产生的声子的数量。例如,“1 Fock态”由一个具有特定能量的声子组成,“2 Fock态”由两个具有相同能量的声子组成,以此类推。声子越高,声音越大。

到目前为止,科学家们还无法直接测量工程结构中的声子状态,因为状态之间的能量差异——在楼梯的类比中,台阶之间的距离——是微乎其微的。该研究的第一作者之一、研究生帕特里西奥·阿朗戈伊兹-阿里奥拉(Patricio arrangoizi – arriola)说:“一个声子对应的能量是一个灯泡持续一秒钟所需能量的10万亿倍。”

为了解决这个问题,斯坦福团队设计了世界上最灵敏的麦克风——利用量子原理窃听原子的窃窃私语。

在普通麦克风中,传入的声波会震动内部薄膜,这种物理位移会转化为可测量的电压。这种方法不适用于探测单个声子,因为根据海森堡测不准原理,如果不改变量子物体的位置,就无法精确地知道它的位置。

“如果你试图用一个普通的麦克风来测量声子的数量,测量的行为就会向系统注入能量,掩盖你试图测量的能量,”Safavi-Naeini说。

相反,物理学家们设计了一种方法来直接测量声波中的Fock态,从而测量声子的数量。纳伊尼说:“量子力学告诉我们,位置和动量不可能被精确地知道,但它没有说能量是这样的。”“能量可以无限精确地知道。”

唱歌量子位元

该小组开发的量子麦克风由一系列过冷的纳米力学谐振器组成,这些谐振器非常小,只有通过电子显微镜才能看到。谐振器与超导电路耦合,超导电路中包含的电子对可以自由移动。该电路形成了一个量子比特,或称量子位,它可以同时以两种状态存在,并具有可通过电子方式读取的固有频率。当机械谐振器像鼓槌一样振动时,它们会产生不同状态的声子。

“谐振器是由周期性结构形成的,这些结构就像声音的镜子一样。通过在这些人造晶格中引入缺陷,我们可以将声子困在结构的中间,”Arrangoiz-Arriola说。

就像不守纪律的囚犯一样,被困住的声子会震动监狱的墙壁,这些机械运动通过超薄电线传递给量子位元。“当量子位元和谐振器的频率几乎相同时,量子位元对位移的敏感度特别强,”共同第一作者、斯坦福大学研究生亚历克斯·沃拉克(Alex Wollack)说。

然而,通过使系统失谐,使量子位元和谐振器以非常不同的频率振动,研究人员削弱了这种机械连接,并触发了一种量子相互作用,称为色散相互作用,它直接将量子位元与声子联系起来。

这种键使量子位元的频率与谐振器中声子的数目成比例地变化。通过测量量子位元的音调变化,研究人员可以确定振动谐振器的量子化能级——有效地解决了声子本身的问题。

Safavi-Naeini说:“不同的声子能级在量子位谱中表现为不同的峰值。”这些峰值对应于0、1、2等的Fock状态。这些山峰以前从未见过。”

机械量子力学

掌握精确生成和检测声子的能力,可能有助于为新型量子设备铺平道路,这种量子设备能够存储和检索编码为声音粒子的信息,或者能够在光学和机械信号之间无缝转换。

由于声子更容易操作,而且波长比光粒子小数千倍,因此可以想象,这种设备将比使用光子的量子机器更紧凑、更高效。

“现在,人们正在用光子来编码这些状态。我们想使用声子,这带来了很多好处,”Safavi-Naeini说。“我们的设备是制造‘机械量子机械’计算机的重要一步。”

斯坦福大学的其他合著者还包括研究生王兆佑、江文涛、蒂莫西•麦肯纳和杰里米•威特默,以及博士后研究人员马雷克•佩沙尔和拉菲尔•范•拉尔。

这项研究由大卫·帕卡德和露西尔·帕卡德奖学金、斯坦福大学特曼奖学金和美国海军研究办公室资助。

要阅读有关斯坦福科学的所有故事,请订阅《斯坦福科学文摘》(Stanford science Digest)。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2019/07/24/quantum-microphone-counts-particles-sound/