傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)依賴于各種電子元件（圖片來源：pixabay）

　　根據(jù)量子力學(xué)原理，科學(xué)家可以利用微觀物質(zhì)的兩種狀態(tài)作為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算的基本單位。這樣的運(yùn)算稱之為“量子計(jì)算（Quantum Computation）”，它是近年來物理學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一?？茖W(xué)家希望通過“量子計(jì)算”提高目前計(jì)算機(jī)的信息處理能力和運(yùn)算速度，以完全發(fā)揮它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)安全、軟件工程、金融管理乃至生物醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域的重要作用。

　　量子計(jì)算機(jī)擺脫了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)于晶體管等材料的依賴，它使用“量子比特（quantum bit，簡稱 qubit）”作為基本運(yùn)算單位。因此，選擇什么樣的粒子作為“量子比特”，將會(huì)很大程度上影響量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。在最初的實(shí)驗(yàn)中，按照量子力學(xué)研究的一般思路，人們使用具有波粒二象性的光子進(jìn)行量子運(yùn)算。

　　我們可以把光子看作是光的粒子，顯然光子具有量子計(jì)算機(jī)所需的量子效應(yīng)。并且，正如科學(xué)家所預(yù)期的一樣，運(yùn)用光子進(jìn)行量子計(jì)算的原型機(jī)表現(xiàn)出了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。但是人們很快發(fā)現(xiàn)，利用“聲子（phonon）”代替光子作為量子計(jì)算的單位或許能夠取得更大的優(yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算機(jī)將會(huì)擁有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能（圖片來源：pixabay）

　　和光子一樣，我們可以把聲波的最基本單位也看作是一種粒子。然而，“聲子”很難被科學(xué)家在一個(gè)極小的時(shí)空尺度下進(jìn)行精密的控制與操作。人們?cè)?jīng)通過轉(zhuǎn)換的方法，將聲子存儲(chǔ)在電路里，聲子破壞的同時(shí)可以留下一個(gè)可讀取的電信號(hào)。之所以要采用這種方法，原因在于探測聲子的過程本身就會(huì)對(duì)聲子造成破壞，而這種方法在操控光子方面已經(jīng)擁有許多成功的案例。這種計(jì)算單位稱為“超導(dǎo)量子比特（superconductor qubit）”。

　　最近，來自美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)的研究人員重新分析了這個(gè)問題。他們希望改進(jìn)原有的方案，讓聲子不會(huì)在被探測到的時(shí)候破壞。另一方面，研究人員還希望找到更多使用聲子進(jìn)行量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。

　　在新設(shè)計(jì)的量子電路中，通過引入新的材料，聲子在大約接近于頭發(fā)絲直徑的距離內(nèi)折返一次，時(shí)間正好可以讓研究人員進(jìn)行一次電流變化的檢測。這樣一來，研究人員既能間接了解到具體的數(shù)值，又不需要真正地破壞聲子。相關(guān)的研究與分析已經(jīng)發(fā)表在了《物理評(píng)論 X》期刊上。

聲子和量子計(jì)算已經(jīng)展示出了光明的前景（圖片來源：pixabay）

　　如果我們把同樣的技術(shù)應(yīng)用到速度更快的光子上，光子反而是做不到的。我們知道，聲音的傳播速度比光要慢，而這個(gè)差異正好在這項(xiàng)技術(shù)中體現(xiàn)出來，“慢速”在這里成為了一種“優(yōu)勢(shì)”。根據(jù)計(jì)算，要實(shí)現(xiàn)同等精度的探測，光子需要有12米的往返距離。這個(gè)距離顯然超出了量子計(jì)算的尺度。于是這也從側(cè)面證明了在量子計(jì)算領(lǐng)域聲子是優(yōu)于光子的。

　　這種“慢速”甚至可以實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)超導(dǎo)量子比特中擁有多個(gè)模態(tài)的聲子，從而進(jìn)一步提高量子計(jì)算機(jī)的性能。同一個(gè)超導(dǎo)量子比特中擁有多個(gè)模態(tài)的聲子，意味著使用這個(gè)超導(dǎo)量子比特就能達(dá)到使用多個(gè)普通超導(dǎo)量子比特的計(jì)算效果。然而不能忽視的是，聲子的壽命極短，盡管利用聲子進(jìn)行量子計(jì)算具有優(yōu)勢(shì)，但是顯然距離實(shí)際的應(yīng)用還有很長一段路要走。

　　不過，科學(xué)家正在逐步掌握操控聲子的技術(shù)，聲子和量子計(jì)算已經(jīng)展示出了光明的前景，我們也期待今后有更加令人驚喜的成果出現(xiàn)。