斯坦福团队首次实时观测单个声子消失

驱动中国9月26日消息，斯坦福大学研究团队宣布，其首次在实验环境中实时观测到单个“声子”（phonon）消失的量子跃迁过程。相关研究成果已于当地时间9月17日正式发表于学术期刊《科学》。这一发现填补了此前在声子单次跃迁实时直接追踪领域的空白，为量子计算纠错及精密测量提供了新的实验依据。

声子在概念上与光子类似，被视为声音在量子尺度下的最小离散能量单位。在宏观物理世界中，铃声或音叉的振动通常表现为能量的连续衰减；然而，在量子力学框架下，振动能量的变化并非平滑过渡，而是以离散的台阶形式发生突变，这种瞬间的状态转换在物理学上被称为“量子跃迁”。

此次研究由斯坦福大学应用物理学教授 Amir H. Safavi-Naeini 领衔。Safavi-Naeini 指出，能够精确探测声子的量子跃迁，有望协助解决量子计算领域的一个关键难题，即识别计算过程中何时发生错误。在许多量子计算架构中，非预期的量子跃迁本身即代表一次计算误差，因此对这一过程的观测具有直接的工程意义。

实验的核心装置是一枚微型机械谐振器，其工作原理类似于微型音叉。研究人员将该谐振器与超导量子比特相连接，利用超导量子比特既作为量子信息存储单元，又作为高灵敏度探测器，实现在不破坏振动量子态的前提下，持续读取谐振器的状态。超导量子比特作为目前量子计算研究中最主流的技术路线之一，在此实验中发挥了关键的探测作用。

为了实现对跃迁过程的实时追踪，团队制造出了具备极长寿命的谐振器。该装置能够持续振动约2毫秒。若将这一性能比例换算至普通尺寸的音叉，其可持续鸣响数小时。这种异常漫长的振动衰减时间，使得研究人员得以对同一系统进行连续数百次的测量，从而积累足够的数据以捕捉瞬态变化。

在持续测量过程中，超导量子比特能够清晰区分“存在一个声子”和“没有声子”这两种状态。随着数据的不断积累，研究人员最终成功捕捉到谐振器从数字“1”跃迁到“0”的瞬间，完整记录了单个声子消失的全过程。

这项成果延续了量子跃迁研究逾百年的发展历程。量子跃迁理论于20世纪初提出，1986年首次在囚禁离子实验中得到验证，2007年又在光子系统中实现观测。在此之前，针对声子的实验仅能提供间接证据，尚未实现对单次跃迁的实时直接追踪。

目前，Safavi-Naeini 团队正与加州理工学院物理学家 Michael Roukes 团队合作，探索利用这一平台在细胞内部检测和识别蛋白质。研究人员表示，对声音的精细量子控制未来可能改善智能手机等依赖声学技术的消费电子设备性能。