科学家首次实时观测单个声子消失，量子计算纠错研究迈出重要一步

斯坦福大学团队首次在实时条件下观测到单个“声子”（phonon）消失的量子跃迁过程。该成果于当地时间9月17日发表在《科学》杂志上。

“声子”是声音在量子尺度上的最小能量单位，类似于光子。在宏观世界中，铃声或音叉的振动会逐渐减弱，但在量子层面，振动能量并非连续衰减，而是以离散的台阶形式突然变化，这种瞬间转变被称为“量子跃迁”。

研究由斯坦福大学应用物理学教授Amir H. Safavi-Naeini领导。他指出，能够探测声子的量子跃迁，可能有助于解决量子计算中的关键问题——识别计算过程中何时发生错误，因为在许多量子计算架构中，量子跃迁本身就代表一次计算误差。

实验核心是一个微型机械谐振器，其原理类似于微型音叉。研究人员将其与超导量子比特连接，使量子比特既能存储量子信息，又能作为探测器，在不破坏振动量子态的情况下持续读取谐振器状态。

超导量子比特是一种利用超导电路实现的量子比特，是目前量子计算研究中最主流的技术路线之一。

为实现实时追踪，团队制造了寿命极长的谐振器。它能持续振动约2毫秒，相当于一把普通尺寸音叉若具备相同比例性能，可持续鸣响数小时。这段异常长的振动衰减时间，使研究人员得以连续进行数百次测量。

在持续测量过程中，量子比特能够区分“存在一个声子”和“没有声子”两种状态。随着数据不断积累，研究人员最终捕捉到谐振器从数字“1”跃迁到“0”的瞬间，即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。而此前针对声子的实验只能提供间接证据，尚未实现对单次跃迁的实时直接追踪。

研究团队认为，这项技术不仅有助于提升量子计算纠错能力，还能推动高精度量子传感的发展。由于谐振器采用芯片制造工艺制备，可在单块芯片上集成大量器件，未来有望用于超灵敏检测。

Safavi-Naeini团队目前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。研究人员还表示，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。

论文地址：https://doi.org/10.1126/science.aeh7535。