物理

用聲波做量子計算

操控聲子,可能讓量子電腦突飛猛進。

撰文/斯洛曼(Leila Sloman)
翻譯/邱淑慧

物理

用聲波做量子計算

操控聲子,可能讓量子電腦突飛猛進。

撰文/斯洛曼(Leila Sloman)
翻譯/邱淑慧


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。