用光揭示量子声的奥秘

被称为声子的量子声可能存在于大规模的、长寿命的量子态中。这样的状态在传感、计算和通信方面非常有用。但是到目前为止，科学家们还不能像光的量子态那样轻易地产生和探测这种状态。

近日，一个由英国伦敦帝国理工学院领导的国际合作小组的研究人员们已经向这种状态的控制迈出了一步，他们使用了一种光学装置，不仅可以从一个机械振荡器中添加和删除单个声子，而且还可以描述最终的声场状态。

量子态现在可以在各种各样的物理系统中被创造和控制，从单个光子和离子到大分子和超导电路。将这些能力扩展到机械振荡器，将使更大规模的量子态成为可能，可以在存储设备中加以利用。它还可以帮助科学家更好地理解量子世界和经典世界之间的界限。

研究人员正利用光学微谐振器探索光子和声子之间的相互作用。该团队使用的设备能够限制光和声波，光在设备的边缘循环多达一百万次，并与微谐振器材料的高频振动相互作用。 研究人员的实验是在室温下进行的，通过将激光束射向微谐振器，增加或减少一个声子的能量，然后检测一个频率上或下移动的单个散射光子。但是到目前为止，在这些实验中还没有对声子加减后的声场状态进行表征。研究人员们现在已经通过将单光子测量和外差检测相结合实现了这一目标。

最新的实验涉及到一个半径为40µm的微谐振器，由具有较低光学和声学损耗的氟化钡材料制成，耦合到一根锥形光纤上。研究人员使用微谐振器从声场中去除单个声子和对声子，通过探测雪崩探测器发出的光子来预示声子状态的形成。因此，他们将声波状态转换到光场，然后使用光学外差层析成像技术来仔细地描述转换后的声波状态。

为了确定声相空间的分布，研究人员对研究中的三种状态（初始热状态、去掉一个声子的状态和去掉两个声子的状态）分别进行了24万次测量。他们发现，正如预期的那样，初始状态产生了一个经典的高斯分布或钟形分布，而其他两个产生了非高斯分布，它们都在正交概率分布上有双峰，在双声子减法的情况下，双峰更加明显。(美国斯坦福大学的研究人员们也取得了类似的成就，他们也在一个机械振荡器中观察到了非高斯相空间分布。)

研究人员表示，这些特征与量子态很接近，但缺少一个关键因素:一种被称为“维格纳负性”的特征。为了观察到这一点，研究人员认为需要提高实验效率，包括在低温下操作和使用更小的微谐振器。如果他们能成功，他们可能会制造出一种量子存储设备，这种设备可以高效地在声学模式中读写量子状态，同时还能探测量子到经典粒子的转变。

图：多声子减法和层析成像方案及实验原理图