聲子與人造原子耦合,打開進入量子世界的新大門

2021-02-15 學術幫

示意圖顯示，在一個固體表面，右側的人造原子發出漣漪狀的聲波，這種聲表面波被左側的「麥克風」捕捉到。

原子和光子之間的相互作用已經在量子光學領域獲得了廣泛的研究，但若想用聲子取代光子與原子進行互動，則是一個更具挑戰性的任務。瑞典Chalmers University of Technology的研究人員在最新研究中，成功地讓聲子與一個人造原子耦合，首次證明利用聲音也可與人造原子進行溝通，由此演示了用聲子取代光子的量子物理學現象。這項成果將刊登在《Science》雜誌上。

「通過與原子交談並傾聽它們的聲音，我們已經打開了一扇進入量子世界的新的大門。」研究小組負責人珀·德爾辛說，「我們的長期目標是要利用量子物理學，使我們從其規則中受益，比如研製超高速計算機。我們通過製造服從量子定律以便於我們控制和研究的電路來實現這一點。」

人造原子就是這種量子電路的一個例子。就像普通的原子一樣，人造原子也可以被充滿能量，隨後以粒子的形式散發出去，通常情況下是光粒子。但據外媒報導，該研究團隊實驗中所使用的原子，被設計成為通過聲音的形式來發射和吸收能量。

這個人造原子是由超導材料製成的，直徑0.01毫米，被放置在一枚微晶片上。實驗中使用的聲音頻率為4.8千兆赫，接近現代無線網絡常用的微波頻率，相當於比大三角鋼琴的最高音還要高出大約20個八度音。在如此高的頻率下，聲的波長短到足以被引導著沿微晶片表面行進。

「根據上述理論，原子發出的聲音被分裂為量子粒子。」論文第一作者馬丁·古斯塔夫森說，「這樣的粒子是我們可以探測到的最弱的聲音。」

由於音速比光速慢得多，這個發聲的原子可為操控量子現象開啟全新的可能性。「因為聲音的速度慢，我們就有時間對行進中的量子粒子進行操控。」古斯塔夫森說，「這一點是無法利用移動速度快10萬倍的光粒子來實現的。」

音速慢也意味著聲的波長比光的波長要短。一個與光波相互作用的原子通常比光的波長小很多，不過，若與聲的波長相比，原子卻要大得多，這意味著它的特性可以得到更好的控制。例如，科學家可以設計只與特定聲頻耦合的原子，或者增強原子和聲子的相互作用。

編輯圈點

量子論被公認是科學史上最成功的、被實驗結果符合最好的理論，但另一方面，它和人類日常生活的經驗如此格格不入。不過，它對日常生活的影響卻無比巨大。量子力學的產物——電子學革命將我們帶入了計算機時代；光子學革命又將我們帶入了資訊時代。如今，「聲子可代替光子與原子相互作用」這一獨特量子物理學現象的發現，無疑將推動量子學研究的進一步深入，其帶來的現實影響或將無可估量。（科技日報）

原文：Propagating phonons coupled to an artificial atom

http://www.sciencemag.org/content/early/2014/09/10/science.1257219

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