在最近的一项研究中，科罗拉多大学的研究人员已经解决了耦合到多模声腔的超导量子比特谱中的声子福克态。Fock状态(或数字状态)是具有明确数量的粒子的量子态。这些状态在量子力学的第二量化公式中起着至关重要的作用。
在他们发表在物理评论X上的论文中，研究人员概述了他们如何将量子比特耦合到表面声波，并成功地在量子比特 - 声子相互作用中设计出明显的频率依赖性。该过程产生的干扰在量子比特 - 声子相互作用中产生了高对比度的频率结构。
“受成功使用量子比特来控制光量子态的启发，我们希望通过将量子比特与声音耦合来探索我们能够实现的目标，”开展这项研究的研究人员之一Lucas Sletten告诉Phys.org。“我们问自己：是否有可能在实体中解析声音，实际上是量子化的?可以用声音来存储和处理量子信息吗?这些类似粒子的声音量子，称为声子，可以在不破坏它们的情况下进行计数?如果是这样的话，你能不能一次使用多种模式玩这个技巧?更一般地说，用光无法完成的声音有什么可能?
Sletten和他的同事使用了一种由超导量子比特组成的装置，该装置与被困在声腔中的声子强烈相互作用。该装置放置在微波谐振器内，微波谐振器用作量子位的敏感探针。这使得研究人员可以测量和控制量子比特，同时观察它与声子的相互作用。
“声子生活在一个声学谐振器中，其作用类似于乐器，但频率高出钢琴上最高音符20个八度音程，”斯莱滕说。“就像仪器一样，有不同的音符或模式可以存在于我们的谐振器中。这种多模式谐振器的电子模拟将长达数米，是片上实现的噩梦。”
谐振器内的模式对应于整数个波纹，这些波纹恰好适合限制声波的盒子或腔体。为了感知被困声子的运动，Sletten和他的同事使用一个将运动转换成电流的传感器将量子比特连接到声共振器。因此，当声音在其谐振器中被激发时，量子比特会看到改变其能量的电流。
“我们设计了一个足够灵敏的系统，即使是量子力学所允许的最安静的声音，一个类似粒子的单个声子，也足以让我们注意到量子位的能量，”Sletten说。“此外，这种检测不会破坏我们测量的声子。我们不仅可以计算声子的一种模式的声子，还可以计算几种声子，证明我们可以充分利用我们的多模腔。”
Sletten及其同事收集的调查结果表明，超导量子比特可以与声波相互作用，足以揭示声音的量子特性，而不会发生直接的能量交换。通过获得足够高的灵敏度以将声波分解为量子化部分，研究人员向声学系统实现卓越的量子控制迈进了一步。
“我们工作的另一个见解是声音的缓慢可能是工程量子系统的宝贵资源，”Sletten说。“声子在镜子之间来回反复所需的时间很长，这使得腔体能够支持多种模式。此外，我们利用插入换能器中间的长延迟来精确控制量子比特与每个模式的相互作用。模式，这是计算多模腔中声子的关键能力。“
将来，Sletten及其同事进行的研究可以为开发控制声学量子态的有效技术铺平道路。同时，研究人员计划继续探索量子科学中声子的使用。
例如，他们想研究是否有可能基于它们与量子位的共享交互来纠缠几种不同的声子模式('音符')。如果通过实验确认，这将证明声子在量子信息处理应用中的巨大潜力。
“声学系统也是不同量子平台之间有前途的接口，例如超导量子位，量子点和光学光子，也可能是研究可能限制某些尖端量子技术的表面物理类型的有力工具，”Sletten添加。