调谐量子之声：声学设备简化量子传感器

当歌手大声唱出一段旋律，吉他手弹着吉他跟着伴奏时，声波穿过空气，带动空气里分子的集体振动。与此同时，在量子层面，类似的事情也在发生。材料内部的原子——从我们的身体到金属等等一切事物——自然地来回晃动，产生微小的振动波，在材料里扩散开来。这些振动被称为声子：声波的量子版本。

现在，加州理工学院和斯坦福大学的物理学家们开发了称为纳米机电系统（NEMS）的设备，让声子仅靠设备材料的固有属性就能表现出量子行为。此前，在没有外部量子设备（如超导量子比特）的帮助下，观察这种行为是不可能的。

这意味着，通过这种新发现的机制，比如，一个单独的NEMS设备就能当个超简化、超小巧的量子传感器或量子比特。

更具体地说，这项工作的目标是让NEMS的振动变得非线性。你可以把非线性系统的能级想成梯子上的台阶，就像这些台阶的间距不是均匀的。

“做量子应用，你不会想要线性系统，因为那样你根本分不清系统处于啥状态——所有能跳变的步骤看起来都一个样，”这项新研究的共同第一作者、加州理工学院的博士后学者Mert Yuksel（博士）说。“所以，我们的目标就是实现非线性，现在我们在NEMS里就能天然做到这一点。”

这项新工作属于一个名为“量子声学”的新兴领域，标志着我们向量子传感设备迈出了下一步——这类设备利用单个声子来精确检测材料中极其微小的变化。这些发现发表在《自然·物理》期刊上，在量子计算、量子通信以及生物测量方面具有应用前景——而生物测量正是加州理工学院与斯坦福大学团队的主要研究重点。

这项研究发表在《自然·物理》上，标题是“纳米机械系统中的内禀声子缀饰态”。

倾听单个分子

“我们的目标基本上就是倾听分子，”加州理工学院的尤克塞尔（Yuksel）说。“声子存在于我们的设备中，我们感知的是跟这些声子产生互动的任何东西，比如落在设备上的分子。我们想了解分子的独特性质：内部结构、它们如何运作、如何与药物结合、如何在活性状态与非活性状态之间切换，等等。”

斯坦福大学研究生、这项新研究的共同第一作者马修·马克西莫维奇说：“为了实现这一目标，我们的设备得对环境变化特别敏感，同时还得够稳定，避免杂散信号和噪声。我们的大部分工作都集中在解决这一矛盾上。”

通过在量子层面工作，这些传感器有潜力帮我们更深入地了解分子及其动态行为。

“我们正努力实现对单个分子的量子测量，”加州理工学院物理学、应用物理学和生物工程学弗兰克·J·罗谢克教授、这项新研究的首席研究员迈克尔·鲁克斯（Michael Roukes）表示。

“当我们通过降低温度让设备进入量子领域时，其基本理念是我们能够在最基础的层面上倾听蛋白质结构的内部动态。”

从量子光学到量子声学

量子光学领域专注于单个光子，即光的离散量子包，而量子声学研究的是振动能量的离散包，称为声子。（“声子”一词源自希腊语phōnē，意为声音。）

近年来，研究人员在量子声学设备方面取得了进展。例如，芝加哥大学和耶鲁大学的团队一直在开发能在单声子水平运行的小型机械设备，但它们必须与另一个设备（如超导量子比特）耦合才能运行。

在这项新研究中，研究人员调谐了一种NEMS设备，使其在单声子水平上天然运行，而无需额外的外部设备。

把缺陷变成有用的东西

这个新的NEMS设计思路利用了材料中一种叫做“双能级系统”的现象。在这些系统里，原子在材料里的两种空间位置之间跳来跳去，这两种位置在能量上都是划算的——对人来说，就像在躺椅上两个舒服的姿势之间来回换。

通常，这些双能级状态被视为缺陷，因为它们可能“像寄生虫一样偷偷吸走量子系统的能量”，鲁克斯说。

不过，这项新研究就利用了这些缺陷，它们天然就存在于做NEMS器件的材料里。通过把器件降温，再施加电磁力或机械力，研究人员就能把器件调到和缺陷共振的状态，从而产生非线性效应。

“这就像收音机，你可以调来调去听不同的缺陷，”尤克塞尔说。

重新看待那些老让人头疼的材料缺陷

阿米尔·萨法维-纳伊尼（博士），现在是斯坦福大学应用物理学教授，也是这项新研究的合著者，他说：“自20世纪70年代以来，大家一直说低温固体里全是双能级系统缺陷，就是些小双势阱，原子或原子团在里面同时处于两种位置状态，还能在两者间穿来穿去。”

“这些固有缺陷是一个令人头疼的大问题，也是用来解释非晶态和晶态材料中能量损失和量子退相干的标准解释。说实话，我一开始真不信，直到看到Mert和Matthew的数据，才明白单个缺陷就能让NEMS器件达到单声子灵敏度。”

Maksymowych补充道，“我觉得特别神奇的是，我们器件中的声子能够这么稳定地感知单个固态缺陷，这些缺陷可能仅由几个原子组成。我们能够仅用一块包含数十亿原子的材料来重现单原子量子光学实验，这真的让人意想不到。”

研究人员表示，下一步是在NEMS器件中自己制造缺陷，而不是依赖天然存在的缺陷。“我们有望开启量子测量的新时代，”Roukes说。“一个让我们能够倾听量子世界的声音的时代。”