量子跃迁——即从一个能态到另一个能态的突然转变——自20世纪初以来就一直是量子理论的一部分。研究人员于1986年首次在囚禁离子中观测到这一现象，随后于2007年在光子（光的基本粒子）中观测到。然而，声音仍然是一个更难攻克的目标。由斯坦福大学物理学家阿米尔·萨法维-纳伊尼（Amir Safavi-Naeini）领导的团队现已直接记录了这些跃迁，研究结果发表在《科学》（Science）杂志上。
“这项研究所展示的成果将使我们能够推进利用声音开发新的量子技术，”斯坦福大学人文与科学学院应用物理学副教授萨法维-纳伊尼说。“我们已经看到，振动物体可以表现出量子行为，这是量子计算和传感所需的许多操作的先决条件。”
观察声音的量子力学行为
光的最小离散单位是光子。声音在量子层面的等价物是声子，它代表许多原子的协调运动。
在日常生活中，振动似乎平滑地衰减。例如，敲响的钟声会逐渐减弱，直到声音消失。但在量子尺度上，情况却大不相同。谐振器的振动能量以离散的阶梯变化，而不是连续变化，这与之前在离子和光子中观察到的行为非常相似。
早期的实验已经证明声音可以经历这些转变。这项新研究更进一步，在单个声子进行实时量子跃迁时直接追踪它们。
具有异常长振铃时间的微型谐振器
实验中使用的机械谐振器是采用芯片制造技术构建的。其微小的尺寸意味着许多这样的谐振器可以潜在地放置在单个芯片上以执行复杂的任务。
一个关键特征是该设备能够持续振动多长时间。该谐振器的作用有点像微型音叉，可以振动两毫秒。如果正常尺寸的音叉具有相同的相对持续振动能力，它将持续振铃几个小时。
那个异常长的“振铃衰减时间”给了研究人员足够的时间来收集数百次测量数据。这些重复的读数使他们能够确定振动消失的时刻，即声音从能态1跃迁到0的时刻。
测量脆弱的量子态
这项实验还要求研究人员解决量子工程中一个长期存在的问题：在不破坏被测量的脆弱状态的情况下，测量量子系统内部正在发生的事情。
该研究的共同第一作者牧原拓马（Takuma Makihara）和埃里克·萨基尔（Erik Szakiel）开发了一种将微型机械谐振器与超导量子比特耦合的方法。量子比特是一种能够存储量子信息的电路，在这个装置中，它还充当了探测器。
“我们必须不断开发新工艺来制造这个寿命极长的振动物体，然后将其与量子比特（也就是我们的小型电探测器）集成——同时不破坏任何一个子系统，”斯坦福大学最近的博士毕业生牧原说。
量子比特在其两毫秒的振动过程中反复检查机械谐振器，确定声子是处于能态1还是0。通过一次又一次地进行这些测量，研究人员可以精确地确定量子跃迁发生的时间。
迈向量子计算和超灵敏传感器
研究人员将这项工作视为朝着以声音作为量子平台的技术迈出的早期但重要的一步。
一个潜在的应用是量子纠错。量子计算机最终可能会解决传统计算机无法解决的某些复杂问题，但它们的量子态极其脆弱。在计算完成之前就可能出现错误。
在许多量子计算系统中，量子跃迁可以发出发生错误的信号。探测这些跃迁一直很困难，因此在声音中监测它们的能力可以为识别和纠正量子错误提供一个重要的新工具。
机械谐振器和量子比特的结合也可以成为一个高度敏感的测量平台。萨法维-纳伊尼的团队已经在与加州理工学院物理学家迈克尔·鲁克斯（Michael Roukes）的团队合作，探索该系统是否可用于检测和识别细胞内的蛋白质。
更好地控制声音
这项进展最终可能会在专业量子技术之外找到应用。萨法维-纳伊尼实验室的在读博士生萨基尔表示，声音在智能手机和许多其他电子设备中起着重要作用，对振动越来越精确的控制将有助于这些技术的新一代发展。
“这表明我们可以对声音进行极其精细的控制，这可能意味着以声音作为基础技术的设备可以变得好得多，”他说。
萨法维-纳伊尼也是斯坦福Q-FARM和Bio-X的成员。
其他斯坦福大学的合著者包括：人文与科学学院（H&S）Joan Reinhart教授及应用物理学教授大卫·舒斯特（David Schuster）；SLAC国家加速器实验室科学家香农·哈维（Shannon Harvey）；爱德华·L·金兹顿实验室（Edward L. Ginzton Laboratory）物理研究科学家米希尔·彭德哈卡（Mihir Pendharkar）；前应用物理学博士学者蕾切尔·格伦克-弗罗伊登斯坦（Rachel Gruenke-Freudenstein）；以及应用物理学博士学者奥利弗·希区柯克（Oliver Hitchcock）、马修·马克西莫维奇（Matthew Maksymowych）和卡维·佩泽什基（Kaveh Pezeshki）。
这项研究获得了亚马逊网络服务公司（Amazon Web Services Inc.）、空军科学研究办公室、海军研究办公室、国家科学基金会、加拿大自然科学与工程研究委员会以及美国国防部的支持。
萨法维-纳伊尼和舒斯特均为亚马逊学者（Amazon Scholars）。