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声子是构成声音的最小量子单元，它们与光子等粒子一样，也遵循量子力学的规则。研究人员认为，基于声子的量子计算机芯片可以设计得如普通芯片一样大小，这为量子计算机的未来发展打开了新的大门。
文 | 陈强
当你打开一盏灯照亮房间时，你体验到的是由无数个光子构成的光束。光子是构成光的粒子，它们是微小的、离散的能量量子包。光子遵循着量子力学中的那些古怪的定律。例如，这些定律规定光子是不可分割的，但允许光子同时出现在多个地方。
与构成光线的光子类似，构成声音的不可分割的粒子被称为“声子”。声子本质上是数以万亿计的原子的集体运动，就像运动场上由成千上万个观众进行的“人浪”活动。当听一首歌时，你听到的其实是由声子组成的粒子流。
与光子一样，声子也遵循相同的量子力学规则。然而，目前针对声子的相关研究仍处于起步阶段。最近，美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员制造了一个每次可产生单个声子的设备，该设备相当于一个芯片大小，由一种完美的导电材料制成，被放置在超低温环境中。有了这种设备，研究人员就可以来探索声子的量子特性。
用分束器“分割”声子
就像可反射光束的镜子一样，这些研究人员使用可反射声束的“声镜”，来探索声子的量子特性。在最近的一次实验中，他们使用了一种“半透”声镜，被称为“分束器”。这种声镜会把一半的声音反射出去，让另一半的声音透射过去。研究人员决定测试当一个声子对准分束器时会发生什么。
因为声子是不可分割的。在与分束器相互作用后，声子最终会进入所谓的“叠加态”。此时，声子同时处于两种状态下：它被分束器反射的同时，也从分束器透射了过去。如果你想使用检测器来干预并检测声子，那么声子的叠加态就会发生“坍缩”，其状态会变为其中的一种：有一半的概率你会检测到它被分束器反射，有一半的概率你会检测到它从分束器透射过去。检测导致了叠加态的坍缩，如果没有检测过程，声子将保持同时处于反射和透射的叠加态。
光子也有这种叠加态，科学家早在几十年前就检测到了这个现象。现在，上面的实验表明，声子也具有相同的量子特性。
让声子纠缠在一起
在证明声子可以像光子一样进入叠加态之后，研究人员提出了一个更复杂的问题。他们想知道如果将两个相同的声子在两个不同的方向上发送到分束器中会发生什么。
实验证明，每个声子都会进入叠加态。但如果精确地调整两个声子的发射时间，让它们彼此发生干扰，那么发送到分束器的结果是，两个声子各自的叠加态会融合在一起，形成一个单一的叠加态：两个声子一起被反射的同时，也一起透射过去。
事实上，这两个声子是处于量子纠缠的状态，彼此可以在瞬间相互影响。这意味着，检测一个声子是被反射还是透射过去，会立马迫使另一个声子进入相同的状态中。
所以，如果你进行检测，你总会检测到两个声子，它们要么都被反射，要么都透射过去，永远不会出现有一个被反射，另一个透射过去。两个相同光子发送到分束器时，也会产生相同的效应，这被称为“洪-欧-曼德尔效应”（Hong-Ou-Mandel effect），它是以 1987 年首次预测和观察到这种效应的三位物理学家的姓氏命名的。现在，研究人员也已经用声子证明了这种效果。
新型量子计算机的出现
这些结果表明，声子与光子一样，都具有相同的量子特性，可进入量子纠缠状态中。研究人员认为，我们可以利用声子来构建一种新型量子计算机。现在，人们一直在利用光子努力构建量子计算机。这些量子计算机通过使用大量的纠缠光子，来解决许多传统计算机无法解决的问题，例如大数的质因数分解或模拟量子系统。
研究人员认为，与当前传统的量子计算机相比，基于声子的量子计算机可以设计得非常紧凑。如果声子技术能够得到进一步的扩展和改进，那么基于声子的量子计算机芯片可以设计得如普通芯片一样大小，使得它们更具有实用价值。
由于许多量子物体也能与声子发生相互作用，基于声子的量子计算机也可以与传统的量子计算机结合在一起。研究人员推测，结合后的量子计算机也许会有着更为独特的计算能力。
参考文献：
https://doi.org/10.1126/science.adg8715
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