光子是一種我們熟知的微觀粒子。當一盞燈被打開照亮了房間時，光就正以光子的形式傳送能量。這些微小的、離散的量子能量包，遵循著量子力學中的一些奇怪的法則，例如，光子雖然不可再分，但一個光子卻又被允許同時出現在兩個地方。
與構成了光束的光子類似的是，構成「聲束」的聲子，也是一種不可再分的量子粒子。簡單來說，聲子是材料內部的基本量子振動，代表著數萬億原子的集體運動，就像足球看臺上的「人浪」是由成千上萬的球迷集體運動產生的一樣。當我們聽一首歌時，聽起來連續的音樂聲實際上是由這些非常小的量子粒子傳遞的。
關於聲子的一個基本問題是，代表了大約10¹⁵個原子的運動的聲子，它們的行為真的遵循量子力學的預測嗎？一直以來，製造和探測單個聲子的技術，都落後於製造和探測光子的技術。
在一項新發表於《科學》雜誌的研究中，一個研究團隊創造了一種聲波分束器，他們將聲子「分裂」，並將它們糾纏在了一起，證實了聲子的量子特性。研究人員認為，這一成果為一種新型量子計算機的創建邁出了關鍵一步。
分裂聲子
在物理學的光學實驗室中，光子分束器是一種能將光束分成兩束的裝置，一束被傳輸，一束被反射。然而，在聲子實驗中，這樣的裝置是缺失的。
在新的研究中，為了探索聲子的量子特性，研究人員創造了一種聲子分束器。這種分束器包括兩個在極低的溫度下運作的用於產生和探測聲子的超導量子比特。他們使用了大約比人耳所能聽到的聲音高一百萬倍的聲子，這些聲子是在表面傳播的表面聲波聲子。在實驗中，他們使用的材料是鈮酸鋰。
研究人員想知道，如果將單個聲子發送到分束器時會發生什麼。他們觀察到，在與分束器相互作用後，聲子不是分裂，而是進入量子疊加態。在這種疊加態下，聲子同時既被反射又被傳輸。對聲子進行測量，會使聲子的量子疊加態坍縮為其中一個。這一結果明確地表明，聲子具備與光子類似的量子特性。
糾纏聲子
在證明聲子可以像光子一樣進入量子疊加態之後，研究人員提出了一個更復雜的問題。他們想知道，如果將兩個相同的聲子分別從兩個方向送入分束器，會發生什麼。
事實上，研究人員想要探討的是一種在上世紀80年代就已經用光子證明的量子效應——Hong-Ou-Mandel效應。在這種效應中，當兩個相同的光子從相反的方向同時發送到分束器時，疊加的輸出會發生干擾，因此這兩個光子總是在同一個輸出方向上一起行進，而不會出現兩個光子朝著兩個方向行進的現象。
在研究人員進行的第二項實驗中，他們證實了聲子也會出現同樣的情況。兩個聲子都會進入一種類似的半傳輸半反射的疊加態。具體來說，他們觀察到的情況是，兩個向一個方向移動的聲子和兩個向另一個方向移動的聲子處於疊加態，因此這兩個聲子被糾纏在了一起。這表明，新的實驗證實了聲子的Hong-Ou-Mandel效應。
讓聲子進入這種量子糾纏態比讓光子進入這種糾纏態的難度要大得多。因為即使這些聲子不可再分，但它們仍然需要萬億個原子以量子力學的方式一起運動。如果量子力學只支配最小尺度的物理學，那麼就會產生這樣的問題：這個領域的邊界在哪裡，經典物理學又從哪裡開始？這個實驗進一步探討了這一過渡。
量子計算的新可能
量子計算機的強大之處在於量子領域的「怪異」。長期以來，科學家都希望能夠利用疊加和糾纏的奇異力量，來解決以前難以解決的問題。而實現這一目標的一種方法就是在所謂的「線性光學量子計算機」中使用光子。
而使用聲子而非光子建造的線性機械量子計算機，則可以非常緊湊和獨立，它們能完全建立在一個類似於膝上型電腦處理器的晶片之上。新的研究結果表明，現在科學家擁有了建造線性機械量子計算機所需的關鍵技術，這或將為量子計算帶來新的、獨特的計算能力。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://pme.uchicago.edu/news/pritzker-molecular-engineering-researchers-split-phonons-or-sound-step-toward-new-type-quantum
https://theconversation.com/how-splitting-sound-might-lead-to-a-new-kind-of-quantum-computer-207974
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715
https://physics.aps.org/articles/v16/99
#圖片來源：
封面圖&首圖：Peter Allen via University of Chicago