量子消音器——在量子擦除實(shí)驗(yàn)中使用到了聲子，其中兩個(gè)量子比特（藍(lán)色）連接到聲子通道（灰色）。來(lái)自量子比特的信號(hào)由通道中心的梳狀裝置（綠色）轉(zhuǎn)換成聲子。 聲子穿過通道，由聲鏡 (黃色）反射回量子比特，在那里它們可以產(chǎn)生干涉圖樣。（圖片來(lái)源：APS/Alan Stonebraker）

很少有像量子擦除效應(yīng)一樣令人困惑的量子效應(yīng)。在量子擦除效應(yīng)中，干涉圖樣的出現(xiàn)或消失可以取決于實(shí)驗(yàn)者未來(lái)的行為。以前的量子擦除實(shí)驗(yàn)使用的是光子，而現(xiàn)在，一個(gè)研究小組用聲子——一種振動(dòng)和聲波的量子粒子，演示出了令人同樣困惑的現(xiàn)象。聲子這種神奇的特性，說明這些粒子可能在長(zhǎng)距離的量子信息傳輸上扮演重要的媒介角色。

量子擦除效應(yīng)在1982年最早提出，最初的想法基于教科書中的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)中光射入兩條狹縫，在光屏上產(chǎn)生明暗交替的干涉條紋。量子擦除實(shí)驗(yàn)通過安裝相應(yīng)設(shè)備來(lái)記錄每一個(gè)光子所進(jìn)入的狹縫。實(shí)驗(yàn)者的觀測(cè)破壞了干涉現(xiàn)象，因?yàn)槊總€(gè)光子都因觀測(cè)被迫表現(xiàn)出粒子性而非波動(dòng)性。然而，如果這個(gè)“路徑信息”（which way information）被擦除（例如，通過對(duì)數(shù)據(jù)輸出加以干擾），干涉現(xiàn)象就會(huì)重新出現(xiàn)。奇怪的是，即使在光子到達(dá)光屏后再進(jìn)行量子擦除，也可以使干涉現(xiàn)象重現(xiàn)。

圖片來(lái)源：Pixabay

量子擦除實(shí)驗(yàn)的第一次實(shí)現(xiàn)使用了光學(xué)干涉儀產(chǎn)生的光子，但理論上任何量子形態(tài)的事物都應(yīng)該有效。現(xiàn)在，芝加哥大學(xué)的Andrew Cleland和他的同事已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用聲子實(shí)現(xiàn)量子擦除，聲子的速度大約是光子速度的10-5。Cleland指出：“聲子可以提供一個(gè)更大的時(shí)間窗口進(jìn)行研究，這解決了一些做量子擦除實(shí)驗(yàn)時(shí)需要面臨的挑戰(zhàn)。”

Cleland和他的團(tuán)隊(duì)可以制造單個(gè)聲子，使之在連接著兩個(gè)超導(dǎo)量子比特（qubits）的、狹長(zhǎng)的壓電材料平板（或通道）表面上傳播。來(lái)自量子比特的電子信號(hào)通過通道中心一個(gè)微小的梳狀裝置后會(huì)被轉(zhuǎn)換成聲子。聲子在通道兩端被聲鏡反射，隨后傳回梳狀裝置，并在那里重新轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。在最近的研究中，研究人員演示證明了聲子可以在兩個(gè)量子比特之間傳遞量子信息。

為了證實(shí)量子擦除效應(yīng)，研究小組依次進(jìn)行了3個(gè)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)基于基本的干涉儀裝置，其中一個(gè)量子比特被激發(fā)并耦合到通道。這種耦合使得量子比特有50%概率保持激發(fā)態(tài)且不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)聲子。還有50%的概率量子比特會(huì)被還原到基態(tài)，并在通道中產(chǎn)生一個(gè)聲子。這個(gè)被稱為信號(hào)的聲子會(huì)通過聲鏡反射回來(lái)，與處在原地并保持激發(fā)態(tài)的量子比特發(fā)生干涉。這兩條路徑的結(jié)合決定了量子比特的最終狀態(tài)。經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究小組測(cè)量了量子比特的狀態(tài)，并觀察了干涉圖樣，以確定其被激發(fā)的概率。

圖片來(lái)源：Pixabay

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)以干涉儀為基礎(chǔ)，但加入了另一個(gè)被叫做“先驅(qū)”（herald）的“條件”聲子，該聲子從第一個(gè)量子比特移動(dòng)至第二個(gè)量子比特，并使第二個(gè)量子比特激發(fā)。只有當(dāng)?shù)谝粋€(gè)量子比特處于激發(fā)態(tài)時(shí)，先驅(qū)聲子才會(huì)產(chǎn)生，這意味著先驅(qū)聲子攜帶信號(hào)聲子的路徑信息。對(duì)第二個(gè)量子比特狀態(tài)的觀測(cè)會(huì)導(dǎo)致第一個(gè)量子比特顯示的干涉圖樣消失。

最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)是擦除步驟。研究小組對(duì)第二個(gè)量子比特施加了一個(gè)微波脈沖，基本擾亂了它所攜帶的信息。當(dāng)所有數(shù)據(jù)都匯編完畢后，干涉條紋會(huì)在對(duì)第一個(gè)量子比特進(jìn)行觀測(cè)時(shí)重新出現(xiàn)。有趣的是，先驅(qū)粒子通過聲子通道的時(shí)間約為0.5微秒，這使得觀測(cè)者在先驅(qū)粒子到達(dá)第二個(gè)量子比特之前就可以充分觀測(cè)第一個(gè)量子比特。這種延遲意味著量子擦除（或不擦除）的選擇可以在記錄量子信息之后發(fā)生。

Cleland提出，量子擦除突出了聲子作為量子信息載體的潛力。實(shí)驗(yàn)中光子是常用的載體，但它們很難與量子比特耦合。Cleland的研究小組正在開發(fā)一種界面，使其可以利用聲子作為媒介，將量子比特信息轉(zhuǎn)換成光子信號(hào)。

美國(guó)新罕布什爾州達(dá)特茅斯大學(xué)（Dartmouth University）的理論物理學(xué)家Miles Blencowe指出：“此實(shí)驗(yàn)在演示聲子的量子信息協(xié)議方面取得了相當(dāng)大的飛躍，這表明聲子可以像光子一樣被用在量子光學(xué)裝置中?！彼岢?，（與相同頻率的光子相比），波長(zhǎng)較短的聲子可以實(shí)現(xiàn)更加緊湊的量子電路。這項(xiàng)研究發(fā)表在Physical Review X上。

作者：Michael Schirber

翻譯：葉歡儀

審校：賀旎妮

引進(jìn)來(lái)源：美國(guó)物理學(xué)會(huì)

引進(jìn)鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/95


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