北京
研究人员制造了一个“振铃”时间仅为两毫秒的谐振器；在微观尺度上，这相当于音叉振动数小时。
美国斯坦福大学的研究人员通过实时测量声音中的量子跃迁，实现了全球首次。这一测量开辟了一条新的科学探索方向，其潜在应用可能在量子计算和传感领域，并有望立即得到应用。
量子跃迁是量子系统能态的突然转变。量子跃迁的概念已存在100多年，理论物理学家尼尔斯·玻尔于1913年首次提出这一概念。直到1986年，科学家才首次在俘获离子中观察到这种跃迁，随后在2007年又在光子——光的基本粒子——中观察到。
近二十年后，由斯坦福大学物理学家阿米尔·萨法维-纳伊尼领导的一个科学家团队观察到了声子——声音的基本单位——中的量子跃迁。为了解释他们的发现，萨法维-纳伊尼以敲击钟发出的声音为例：声音会随时间逐渐减弱，而不是一下子消失。
然而，在量子层面上，这些减弱是以跳跃方式发生的，萨法维-纳伊尼的团队实时测量了它们，这是同类研究中的首次成就。
他们是如何测量的？
为了进行这项测量，研究人员制造了一个计算机芯片尺度的机械谐振器。谐振器的小尺寸使得多个单元可以放置在同一块芯片上。
与音叉很像，这种谐振器被敲击时也会振动。然而，研究人员制造的谐振器“振铃”时间仅为两毫秒。虽然这听起来极其短暂，但在谐振器工作的微观尺度上，这相当于音叉振动数小时。
因此，谐振器较长的共振时间，即“振铃衰减时间”，使研究人员能够进行数百次读数，并精确捕捉到其振动从1变为0或发生量子跃迁的时刻。
挑战与解决方案
对于研究量子系统的研究人员来说，一个主要挑战是如何在不干扰其脆弱状态的情况下从系统中提取信号。斯坦福研究团队找到了一种方法，将谐振器与超导量子比特配对，使其能够充当探测器。
通过这种配对的量子比特，研究人员得以实时探测到量子跃迁发生的精确时刻。这项研究不仅实现了实时探测量子跃迁，还为不久的将来许多量子发展奠定了基础。
例如，在量子计算中，脆弱的量子态可能在计算完成前导致错误。这些量子跃迁被视为错误，但确定它们究竟何时发生一直很困难。探测量子跃迁的能力可能很快就会改变这一局面。
这种微观谐振器与量子比特的配对还可用于精确传感。萨法维-纳伊尼及其团队已经与加州理工学院的研究人员合作，利用它来检测和识别细胞中的蛋白质。
由于声音是智能手机等大量现代设备不可或缺的一部分，潜在应用也可能在这些领域发展。萨法维-纳伊尼在新闻稿中说：“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前提条件。”
这位研究人员总结道：“这项研究表明的东西将使我们能够继续推进利用声音开发新的量子技术。”
研究成果发表在《科学》杂志上。
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