2026年9月17日——斯坦福大学的一个团队记录了对机械谐振器中声音量子跃迁的首次直接观测，完成了始于一百多年前的一段科学探索历程。 

量子跃迁——从一个能量态到另一个能量态的突然转变——自20世纪初以来就已在理论上被提出。科学家于1986年首次在囚禁离子中展示了这种跃迁，随后又于2007年在光子——光的基本粒子——中实现了这一点。观测声音的量子跃迁一直未能实现，但由斯坦福大学物理学家 Amir Safavi-Naeini 领导的团队记录下了这些现象，并将研究结果发表在《科学》杂志上。

“这项研究展示的内容将使我们能够继续开发利用声音的新量子技术，”斯坦福大学人文与科学学院应用物理学副教授 Safavi-Naeini 说，“我们已经看到，振动物体可以表现出量子行为，而这正是量子计算和传感所需的许多操作的前提。”

光的量子单元——其最小可能的离散单元——是单个光子，而声音的量子单元，即“声子”，则代表一大群原子的协同运动。

在人类感官看来，声音产生的振动运动，就像被敲击的钟所表现出的那样，似乎是逐渐减弱，而不是突然跳变至静止。然而，在量子层面，谐振器的振动能量以离散的步骤（或称跃迁）变化，类似于离子和光子的量子行为。较早的实验已经发现了这些跃迁的证据，但这项研究首次展示了单个声子实时发生量子跃迁。

尺寸与时间 

该机械谐振器采用芯片制造技术制造。它小到可以将许多谐振器集成到一块芯片上，以执行复杂功能。

谐振器能够“响”的时间长度，是使这一突破成为可能的关键。它的工作方式有点像一个微观音叉，可以振动2毫秒。相比之下，如果普通尺寸的音叉具备同样的能力，它会响数小时。

谐振器较长的共振时间，或称“振铃衰减时间”，使得研究人员能够进行数百次读取，以确定振动不再存在、声音发生跃迁的时刻——即它从能量态1移动到0的时候。

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声音控制

为了进行这项实验，研究人员必须克服量子工程中一个长期存在的挑战：如何在不扰动量子系统脆弱状态的情况下，从量子系统中提取信号。

该研究的共同第一作者 Takuma Makihara 和 Erik Szakiel 开发出一种方法，将微观机械谐振器与超导量子比特——一种能够存储量子信息并充当探测器的电路——配对。

“我们必须不断开发新工艺，制造出这个寿命极长、能够振动的物体，然后把它与量子比特——也就是我们的小型电探测器——集成在一起，同时不破坏任何一个子系统，”最近从斯坦福大学获得博士学位的 Makihara 说。

量子比特可以读出机械谐振器中正在发生的情况，本质上是在2毫秒的振动期间反复检查其中的声子处于能级1还是0。研究人员正是通过这种方式记录量子跃迁发生的时刻。

开发声音平台

这项研究代表着基础性的第一步，但检测声音量子跃迁的能力可能带来多项进展。

例如，它可能有助于解决量子计算中的纠错问题。虽然量子计算在处理一些超出传统计算机能力的复杂计算方面具有巨大潜力，但脆弱的量子态可能在计算完成前导致错误。在许多量子计算架构中，量子跃迁代表一个错误，但识别这些错误何时发生一直很困难。因此，检测声音中量子跃迁的能力标志着朝着纠错迈出了重要一步。

由于尺寸小且灵敏度高，机械谐振器与量子比特的组合还可用于极其精确的传感。例如，Safavi-Naeini 的团队正与加州理工学院物理学家 Michael Roukes 的团队合作，探索利用该平台检测和识别细胞内的蛋白质。

日常技术也可能从中受益。声音是智能手机和许多其他设备不可或缺的一部分，而这一进展可能是迈向这些产品下一代的一步，Safavi-Naeini 实验室的在读博士生 Szakiel 说。

“这表明我们可以对声音进行极其精细的控制，这可能意味着那些把声音作为基础技术的设备能够变得好得多，”他说。