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声音可以取代光的量子物理学现象?

导读: 原子和光之间的相互作用已经在量子光学领域获得了广泛的研究,但若想用声波取代光与原子进行互动,则是一个更具挑战性的任务。

  原子和光之间的相互作用已经在量子光学领域获得了广泛的研究,但若想用声波取代光与原子进行互动,则是一个更具挑战性的任务。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员在最新研究中,成功地让声波与一个人造原子耦合,首次证明利用声音也可与人造原子进行沟通,由此演示了用声音取代光的量子物理学现象。

  “通过与原子交谈并倾听它们的声音,我们已经打开了一扇进入量子世界的新的大门。”研究小组负责人珀·德尔辛说,“我们的长期目标是要利用量子物理学,使我们从其规则中受益,比如研制超高速计算机。我们通过制造服从量子定律以便于我们控制和研究的电路来实现这一点。”

  人造原子就是这种量子电路的一个例子。就像普通的原子一样,人造原子也可以被充满能量,随后以粒子的形式散发出去,通常情况下是光粒子,但查尔姆斯研究团队实验中所使用的原子,被设计成为通过声音的形式来发射和吸收能量。

  这个人造原子是由超导材料制成的,直径0.01毫米,被放置在一枚微芯片上。实验中使用的声音频率为4.8千兆赫,接近现代无线网络常用的微波频率,相当于比大三角钢琴的最高音还要高出大约20个八度音。

  在如此高的频率下,声音的波长短到足以被引导着沿微芯片表面行进。

  “根据上述理论,原子发出的声音被分裂为量子粒子。”论文第一作者马丁·古斯塔夫森说,“这样的粒子是我们可以探测到的最弱的声音。”

  由于音速比光速慢得多,这个发声的原子可为操控量子现象开启全新的可能性。“因为声音的速度慢,我们就有时间对行进中的量子粒子进行操控。”古斯塔夫森说,“这一点是无法利用移动速度快10万倍的光粒子来实现的。”

  音速慢也意味着声音的波长比光的波长要短。一个与光波相互作用的原子通常比光的波长小很多,不过,若与声音的波长相比,原子却要大得多,这意味着它的特性可以得到更好的控制。例如,科学家可以设计只与特定声频耦合的原子,或者增强原子和声音的相互作用。

  量子论被公认是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论,但另一方面,它和人类日常生活的经验如此格格不入。不过,它对日常生活的影响却无比巨大。量子力学的产物——电子学革命将我们带入了计算机时代;光子学革命又将我们带入了信息时代。如今,“声波可代替光与原子相互作用”这一独特量子物理学现象的发现,无疑将推动量子学研究的进一步深入,其带来的现实影响或将无可估量。

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