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第932期
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【2019/11/11 科學人雜誌網站】 |
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用聲波做量子計算 |
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研究人員已經掌握原本難以捉摸的聲音「粒子」：聲子（phonon）。聲子是構成聲波振動能量的最小單位，雖然不是物質，但仍可視為粒子，就像光子一樣。量子電腦期望以量子效應達到前所未有的計算性能，其原型通常以光子儲存資訊。改用聲音有其優勢，只是必須能在很細微的尺度上操控聲子。
直到最近，科學家都還缺少這樣的能力，因為偵測到單獨聲子的同時，就會破壞它。早期的偵測方法是把聲子轉換為量子電路（稱為超導量子位元）中的電力。這些電路會接受特定大小的能量，如果聲子的能量吻合，電路就能吸收。在這個過程中，聲子遭破壞，但藉由所讀取的能量能夠得知聲子存在。
在新的研究中，美國實驗天文物理學聯合學院（JILA，由美國國家標準與技術局和科羅拉多大學波爾德分校共同運作）調整超導量子位元的能量單位，而不破壞聲子。這仰賴一種特殊材料，可以因應聲子的振動而產生電場，因此增加電路中的電流。研究人員可以偵測每一個聲子造成電流改變的程度。
「最近有許多科學家成功利用超導量子位元控制光的量子態，成果令人印象深刻。我們很好奇，有什麼實驗可以利用聲音進行，卻很難用光做到？」科羅拉多大學波爾德分校的斯萊頓（Lucas Sletten）這樣說道。他是發表於今年6月《物理評論X》論文的第一作者。
其中一項差異是速度：聲音傳播的速度比光速慢了很多。斯萊頓和同事利用這項特性，調整聲子與電路的交互作用來增加電流。他們把特定波長（稱為模態）的聲子困在兩面可以反射聲音的「鏡片」之間，聲音往返所需時間較長，因此得以精確調控。兩面鏡片相距約一根頭髮的寬度，如果使用光子，鏡片得相距約12公尺才能達到同樣的控制效果。
聲音傳播速度的「慢」也讓研究人員能辨識超過一種模態的聲子。斯萊頓表示，量子電腦通常經由增加超導量子位元來提升計算性能，但是藉由處理多重模態的資訊，單一量子位元也能達到相同結果。
蘇黎士瑞士聯邦理工學院的物理學家朱怡文（Yiwen Chu，音譯）並未參與這項研究，她評論「這絕對是個里程碑。」並且補充說，這類使用光子的實驗是今日多數量子電腦研究的第一步。聲音要達到類似應用還相當遙遠，在所有待解的問題中，科學家得先找出讓聲子存在久一點的方法，現在聲子只能維持600奈秒。儘管如此，這項研究最終可能為量子計算開闢新的道路。 |
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