声子干涉为新型量子计算奠定基础

芝加哥大学Andrew Cleland团队首次实现了能够确定性地将单个声子转换为叠加输出态的声子分束器，且利用该相干过程演示了单声子干涉仪，并进一步实现了双声子干涉。该研究提出了一种可用于实现线性力学量子计算的新型固态系统，并给出了巡游声子和超导量子比特之间的直接转换，为混合计算系统的发展提供了重要机遇。该成果于6月8日发表在《科学》杂志上。

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研究论文以《分裂声子：构建线性力学量子计算平台(Splitting phonons: Building a platform for linear mechanical quantum computing)》为题

发表于《科学》杂志

声子是材料内部的基本量子振动，单个声子代表了数万亿原子的集体运动。在该实验中，研究人员使用了在铌酸锂表面传播的单个表面声波声子，其频率比人耳能听到的高出大约一百万倍。此前，Cleland团队已经找到了如何产生和探测单个声子的方法，并首次实现了两个声子的纠缠 [Phys. Rev. Lett. 124, 240502 (2020)]。

为了展示这些声子的量子特性，研究团队构建了一种声学分束器，它可以将声音束一分为二，将一半透射，而将另一半反射回声源。整个系统，包括用于产生和探测声子的两个超导量子比特，都在极低的温度下运行。当研究团队将一个声子发送到分束器时，它并没有被分裂，而是进入了量子叠加态，即声子处于同时被反射和透射的状态。观测声子会导致这个量子态坍缩为两个输出中的一个。

研究团队找到了一种方法，通过将声子捕获在两个超导量子比特中来保持这种叠加态。实际上只有单个量子比特捕获了声子，但在测量之前人们无法确定是哪一个量子比特。换句话说，量子叠加从声子传递到了这两个量子比特中。研究人员测量了该双量子比特叠加态，从而得到了“分束器正在产生量子纠缠态的证据”，Cleland表示。

在第二个实验中，研究团队希望展示另一种基本量子效应，这种效应现在被称为Hong-Ou-Mandel效应，其最初是在20世纪80年代用光子演示的。当两个相同的光子同时从相反的输入方向进入一个分束器时，叠加的输出会相互干涉，使得两个光子总是一起沿一个输出方向传播。重要的是，当研究团队使用声子进行这个实验时，同样的效应也出现了。

双声子干涉的频率和波包依赖性

叠加输出意味着两个探测量子比特中只有一个捕获了声子，且声子只能沿一个方向传播。而在相反方向放置的量子比特从未“听到”过声子，尽管超导量子比特一次只能捕获一个声子。这证明了两个声子都在同一个方向上。这种现象被称为双声子干涉。

将声子制备成这种量子纠缠态要比用光子做到这一点困难得多。尽管这里使用的声子是不可分割的，但仍需要千万亿个原子以量子力学的方式一起合作。线性力学量子计算机使用声子而非光子，它本身具备进行新型计算的能力。Cleland表示：“双声子干涉实验的成功是证明声子等同于光子的最后一块拼图。这个结果证实我们拥有了构建线性力学量子计算机所需的技术能力。”

线性力学量子计算平台的印象图

中央透明元件是声子分束器

蓝色和红色的弹珠代表单个声子

声子是千万亿原子的集体机械运动，这些机械运动可以看作是从相反方向进入分束器的表面声波。

图中出现的输出声子处于一个“蓝色”声子和一个“红色”声子叠加在一起的双声子态。

与基于光子的线性光学量子计算不同，芝加哥大学的平台直接将声子与量子比特相结合。这意味着声子可以成为混合量子计算机的一部分，将线性量子计算机和基于量子比特的量子计算机的优势结合起来。下一步将是使用声子构建逻辑门，而Cleland团队目前正在进行相关研究。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715

报道链接：

https://phys.org/news/2023-06-phonons-quantum.html

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