捕捉到声音的跃迁，一次一个量子

拨动一根吉他弦，声音会平滑地消失。然而，量子力学预言，任何振动物体的能量都是一份一份离散的——即声子（phonon），声音的量子。问题在于，仅仅观察物体的运动是看不到它们的。对位置的测量只会显示出一条平滑的指数衰减曲线，和经典振子一模一样。

要揭示这些能量包，就必须测量能量本身，而且测量时不能扰动它：这就是所谓的量子非破坏测量。能级之间的这种跃迁，最早是在单个被囚禁的离子中观察到的，后来又在被困于腔中的光粒子中观察到。由Amir Safavi-Naeini领导的斯坦福大学和SLAC的团队，如今在一个振动物体上做到了这一点。

悬浮在量子比特上方的晶体

这个振动物体是一小块铌酸锂，这种晶体能把振动转化为电压。它位于一根带图案的梁的中心，梁上周期性排列的孔起到声学反射镜的作用，把振动困在其中。它的有效质量约为0.2皮克——即一万亿分之一克的五分之一。

探测器是一个超导量子比特，与量子计算机中使用的电路属于同一类。两部分分别制作，然后由一台精密键合机把晶体压印到量子比特上，使小块恰好悬浮在其上方75纳米处。

耦合原理如下：小块中的每个声子都会让量子比特的频率偏移328千赫兹。通过精确控制一段短脉冲序列的时序，声子数为偶数时，量子比特最终处于一种状态；为奇数时，则处于另一种状态。由于实际上小块最多只含一个声子，这就归结为一个简单的问题：**零还是一？**每次检查耗时约12微秒。

首先，团队学会了识别单个声子。单次检查的正确率只有约68%，所以他们重复检查：在连续六次得到“一个声子”的回答之后，小块恰好含有一个声子的概率为85%。

然后，他们不停地问——连续294次。原始答案用肉眼就能看出来：先是长长一段大多为“一”，然后突然切换为大多为“零”。小块并不是逐渐泄漏掉能量；它在一次跃迁中失去了唯一的声子，而跃迁发生的时刻是随机的，每次运行都不相同。这些跃迁的时间遵循指数分布，这是一个自发、无记忆过程的标志。

一个声子在这个小块中能存活2.1毫秒，作者称，对于工作在吉赫兹频率的这类谐振器来说，这个时间格外长。他们将其归功于两项选择：没有任何金属接触谐振器，而且其上表面从未被用于刻蚀的离子束击中。
这样，在一个声子的寿命内可以进行大约170次检查。
每次检查有大约**99%**的概率让声子保持完好。这种微小的扰动使声子在被观察期间的寿命缩短到约0.65毫秒。
综合品质因数（称为协同度）超过300万，作者称这比其他量子声学平台好十倍。

作者的下一步是构建一种“双轨”量子比特，由两个共用一个量子比特的机械谐振器组成，其中声子的丢失会成为一种可探测的错误。他们的压印技术允许在同一块芯片上放置多个谐振器。他们还提到了传感器：一个如此轻、振动如此持久的物体，正是称量单个分子所需要的。

目前，这种测量仍有局限：单次检查远非完美，而且它无法区分零个声子和两个声子。其中两位作者是亚马逊学者（Amazon Scholar），亚马逊云科技（Amazon Web Services）资助了这项工作。

量子跃迁如今已在原子中、在光中被观察到，而通过这项实验，也在声音中被观察到了。