第一次实时看见一个声子消失

敲一下钟，声音会慢慢变弱。人耳听来这是个连续过程，但在量子层面，振动物体的能量是以离散台阶变化的。台阶之间的突变叫量子跳跃，物理学家在 20 世纪初就预言了它，1986 年在囚禁离子中首次证实，2007 年在光子中观测到。声音这一环一直缺着，斯坦福大学 Amir Safavi-Naeini 团队在 2026 年 9 月补上了。

为什么声音这一环难

声子是振动能量的最小单元，代表一大群原子的协同运动。要观测单个声子的跳跃，需要在不破坏量子状态的前提下反复测量同一个系统。这个要求很难满足：测量本身会扰动系统，而扰动之后就测不准原本的状态。

团队的解决办法是把机械谐振器与一个超导量子比特配对。量子比特充当探测器，通过色散耦合读取谐振器里有几个声子，而不是直接测量它的位移。这种量子非破坏性测量可以重复进行，每次读取都不会把声子数打乱。

图示：声子数的连续读取时序，红色竖线标出从能级 1 跳到能级 0 的时刻

两毫秒的窗口

整个实验的关键在谐振器能「鸣响」多久。团队做出来的器件是个微观音叉，可以振动约 2 毫秒。这个数字听起来很短，但如果普通尺寸的音叉有同样的性能，它会响上好几个小时。正是这段漫长的衰减时间，让探测器有机会在两毫秒内做数百次读取。

在反复读取中，量子比特区分「有一个声子」和「没有声子」两种状态。顺着时间序列看下去，研究者就能锁定谐振器从能级 1 跳到能级 0 的确切时刻。论文报告机械寿命 T1 为 2.1 毫秒，每声子的色散频移 2χ/2π 为 328 千赫，预测单声子态的保真度达到 85%。

图示：机械谐振器与超导量子比特通过色散耦合配对，量子比特承担探测器角色

和一个世纪前的预言接上了

这项工作补全了量子跳跃的实验链条：离子、光子、声子。它的价值不止于验证理论。在不少量子计算架构里，一次量子跳跃就意味着一次计算错误，而定位错误发生的时刻一直是纠错的瓶颈。能够实时追踪声子的跳跃，等于给这类错误装上了探测器。

应用方向上，团队已经在和加州理工学院的 Michael Roukes 小组合作，尝试用这个平台探测和识别细胞内的蛋白质。谐振器用芯片工艺制造，尺寸小到可以在一块芯片上集成许多个，配合这种灵敏度，做精密传感是顺理成章的延伸。更远一点看，手机这类依赖声学器件的设备也可能受益于对声音的精细控制。

论文《Quantum jumps of sound》于 2026 年 9 月 17 日发表在《科学》。

关联推荐

• 给量子比特穿一层"声波外衣"，相干时间拉长到三倍：看声子如何被用来延长量子比特相干时间
• 量子纠错：为什么量子计算机先要学会容错：理解量子纠错的基本思路
• 分形子：一种「动不了」的准粒子，被模拟出来了：认识一种动不了的准粒子