量子消音器——在量子擦除實驗中使用到了聲子，其中兩(liang) 個(ge) 量子比特（藍色）連接到聲子通道（灰色）。來自量子比特的信號由通道中心的梳狀裝置（綠色）轉換成聲子。 聲子穿過通道，由聲鏡 (黃色）反射回量子比特，在那裏它們(men) 可以產(chan) 生幹涉圖樣。（圖片來源：APS/Alan Stonebraker）

很少有像量子擦除效應一樣令人困惑的量子效應。在量子擦除效應中，幹涉圖樣的出現或消失可以取決(jue) 於(yu) 實驗者未來的行為(wei) 。以前的量子擦除實驗使用的是光子，而現在，一個(ge) 研究小組用聲子——一種振動和聲波的量子粒子，演示出了令人同樣困惑的現象。聲子這種神奇的特性，說明這些粒子可能在長距離的量子信息傳(chuan) 輸上扮演重要的媒介角色。

量子擦除效應在1982年最早提出，最初的想法基於(yu) 教科書(shu) 中的楊氏雙縫實驗：實驗中光射入兩(liang) 條狹縫，在光屏上產(chan) 生明暗交替的幹涉條紋。量子擦除實驗通過安裝相應設備來記錄每一個(ge) 光子所進入的狹縫。實驗者的觀測破壞了幹涉現象，因為(wei) 每個(ge) 光子都因觀測被迫表現出粒子性而非波動性。然而，如果這個(ge) “路徑信息”（which way information）被擦除（例如，通過對數據輸出加以幹擾），幹涉現象就會(hui) 重新出現。奇怪的是，即使在光子到達光屏後再進行量子擦除，也可以使幹涉現象重現。

圖片來源：Pixabay

量子擦除實驗的第一次實現使用了光學幹涉儀(yi) 產(chan) 生的光子，但理論上任何量子形態的事物都應該有效。現在，芝加哥大學的Andrew Cleland和他的同事已經實現了用聲子實現量子擦除，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(ge) 更大的時間窗口進行研究，這解決(jue) 了一些做量子擦除實驗時需要麵臨(lin) 的挑戰。”

Cleland和他的團隊可以製造單個(ge) 聲子，使之在連接著兩(liang) 個(ge) 超導量子比特（qubits）的、狹長的壓電材料平板（或通道）表麵上傳(chuan) 播。來自量子比特的電子信號通過通道中心一個(ge) 微小的梳狀裝置後會(hui) 被轉換成聲子。聲子在通道兩(liang) 端被聲鏡反射，隨後傳(chuan) 回梳狀裝置，並在那裏重新轉換成電子信號。在最近的研究中，研究人員演示證明了聲子可以在兩(liang) 個(ge) 量子比特之間傳(chuan) 遞量子信息。

為(wei) 了證實量子擦除效應，研究小組依次進行了3個(ge) 實驗。第一個(ge) 實驗基於(yu) 基本的幹涉儀(yi) 裝置，其中一個(ge) 量子比特被激發並耦合到通道。這種耦合使得量子比特有50%概率保持激發態且不會(hui) 產(chan) 生信號聲子。還有50%的概率量子比特會(hui) 被還原到基態，並在通道中產(chan) 生一個(ge) 聲子。這個(ge) 被稱為(wei) 信號的聲子會(hui) 通過聲鏡反射回來，與(yu) 處在原地並保持激發態的量子比特發生幹涉。這兩(liang) 條路徑的結合決(jue) 定了量子比特的最終狀態。經過多次重複實驗，研究小組測量了量子比特的狀態，並觀察了幹涉圖樣，以確定其被激發的概率。

圖片來源：Pixabay

第二個(ge) 實驗以幹涉儀(yi) 為(wei) 基礎，但加入了另一個(ge) 被叫做“先驅”（herald）的“條件”聲子，該聲子從(cong) 第一個(ge) 量子比特移動至第二個(ge) 量子比特，並使第二個(ge) 量子比特激發。隻有當第一個(ge) 量子比特處於(yu) 激發態時，先驅聲子才會(hui) 產(chan) 生，這意味著先驅聲子攜帶信號聲子的路徑信息。對第二個(ge) 量子比特狀態的觀測會(hui) 導致第一個(ge) 量子比特顯示的幹涉圖樣消失。

最後一個(ge) 實驗是擦除步驟。研究小組對第二個(ge) 量子比特施加了一個(ge) 微波脈衝(chong) ，基本擾亂(luan) 了它所攜帶的信息。當所有數據都匯編完畢後，幹涉條紋會(hui) 在對第一個(ge) 量子比特進行觀測時重新出現。有趣的是，先驅粒子通過聲子通道的時間約為(wei) 0.5微秒，這使得觀測者在先驅粒子到達第二個(ge) 量子比特之前就可以充分觀測第一個(ge) 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後發生。

Cleland提出，量子擦除突出了聲子作為(wei) 量子信息載體(ti) 的潛力。實驗中光子是常用的載體(ti) ，但它們(men) 很難與(yu) 量子比特耦合。Cleland的研究小組正在開發一種界麵，使其可以利用聲子作為(wei) 媒介，將量子比特信息轉換成光子信號。

美國新罕布什爾州達特茅斯大學（Dartmouth University）的理論物理學家Miles Blencowe指出：“此實驗在演示聲子的量子信息協議方麵取得了相當大的飛躍，這表明聲子可以像光子一樣被用在量子光學裝置中。”他提出，（與(yu) 相同頻率的光子相比），波長較短的聲子可以實現更加緊湊的量子電路。這項研究發表在Physical Review X上。

作者：Michael Schirber

翻譯：葉歡儀(yi)

審校：賀旎妮

引進來源：美國物理學會(hui)

引進鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/95


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