2026年5月22日——当一位歌手引吭高歌，旁边有吉他手伴奏时，声波穿过空气，驱动着其中的分子共同振荡。与此同时，在量子层面，类似的事情也在发生。材料内部的原子，从我们的身体到金属乃至更多物质，都会自然地来回跳动，产生在材料中传播的微小振动波。这些振动被称为声子：即声波的量子版本。

如今，加州理工学院和斯坦福大学的物理学家们开发出了一种称为纳米机电系统（NEMS）的器件，它允许声子仅通过构成该器件的材料的内在属性来展现其量子行为。此前，不借助外部量子设备（例如超导量子比特）的帮助，是不可能观察到这种行为的。

这意味着，通过这种新发现的机制，一个单独的NEMS器件，例如，就可以作为一个大大简化且非常紧凑的量子传感器或量子比特。

更具体地说，这项工作的目标是使NEMS的振动具有非线性。如果你将非线性系统中的能级想象成梯子的台阶，那就好比梯子的台阶间距是不相等的。

“对于量子应用，你不想要线性系统，因为那样你就无法辨别系统处于何种状态——系统所有可能的能级跃迁看起来都是一样的，”加州理工学院博士后研究员、这项新研究的共同第一作者Mert Yuksel（博士，’26年）说。“因此，实现非线性是我们的目标，现在我们可以在NEMS内部固有地实现这一点。”

这项新工作是量子声学这一新兴领域的一部分，标志着朝着创建使用单个声子来精确检测材料中极其微小变化的量子传感设备迈出了下一步。这项发表在《自然·物理学》（Nature Physics）上的研究成果，在量子计算、量子通信以及生物学测量（也是加州理工学院-斯坦福团队的主要关注点）中都有应用前景。

“我们的目标基本上是‘倾听’分子，”Yuksel说。“声子存在于我们的器件中，我们感知的是与这些声子耦合的任何东西，例如一个分子落在器件上。我们想了解分子独特的性质：内部结构、它们如何运作、如何与药物结合、如何在活性和非活性状态之间切换，等等。”

斯坦福大学研究生、这项新研究的共同第一作者Matthew Maksymowych说：“为了这项努力，至关重要的是我们的器件对环境变化极其敏感，同时又足够稳定以避免杂散信号和噪声。我们的大部分工作都集中在解决这个矛盾上。”

通过在量子层面工作，这些传感器有潜力揭示关于分子及其动力学的更深层次信息。

“我们正在致力于对单个分子进行量子测量，”加州理工学院Frank J. Roshek物理学、应用物理学和生物工程学教授、这项新研究的首席研究员Michael Roukes说。“当你通过降低温度将我们的器件带入量子区域时，其基本思想是，我们可以在最基本的层面上‘倾听’蛋白质结构的内部动态。”

量子光学领域专注于单个光子（即离散的光包），而量子声学则研究离散的振动能量包，称为声子（“phonon”一词源自希腊语phōnē，意为声音）。近年来，研究人员在量子声学器件方面取得了进展。例如，芝加哥大学和耶鲁大学的团队一直在开发小型机械器件以在单声子水平上工作，但它们必须耦合到另一个器件（例如超导量子比特）才能发挥作用。在这项新研究中，研究人员调整了一个NEMS器件，使其在固有地运行在单声子水平，无需额外的外部设备。

这种新的NEMS设计方案利用了材料中一种称为“二能级系统”的现象。在这些系统中，原子在材料内的两种空间构型之间翻转，这两种构型在能量上都是有利的——对人类来说，这就像在休闲椅上两种舒适姿势之间来回切换。通常，这些二能级状态被视为缺陷，因为它们会“寄生性地从量子系统中窃取能量，”Roukes说。

然而，这项新工作利用了这些缺陷，它们自然存在于构成NEMS器件的材料中。通过降低器件温度并施加电磁或机械力，研究人员能够将器件调谐到与这些缺陷共振，从而产生非线性效应。

“这就像一个广播电台，你可以调谐收听不同的缺陷，”Yuksel说。

斯坦福大学应用物理学教授、这项新研究的合著者Amir Safavi-Naeini（博士，’13年）说：“自20世纪70年代以来，人们就认为低温固体充满了二能级系统缺陷，这些小的双势阱中，一个原子或原子簇以两种构型的叠加态存在，并在其间隧穿。这些内在的缺陷是一个主要难题，是用于解释非晶和晶体材料中能量损失和量子退相干的标准解释。我必须承认；在看到Mert和Matthew的数据显示NEMS器件中的单个缺陷就足以诱导单声子灵敏度之前，我真的不相信这些新结果。”

Maksymowych补充说：“我觉得非常了不起的是，我们器件中的声子能够以如此可重复的方式感知单个固态缺陷，这些缺陷可能只由几个原子组成。我们能够仅用一块包含数十亿原子的材料片就复现单原子量子光学实验，这真的令人惊讶。”

研究人员表示，下一步是将他们自己的缺陷工程化到NEMS器件中，而不是依赖自然存在的缺陷。“我们有望开启量子测量的新时代，”Roukes说。“一个让我们能够调谐聆听量子世界声音的时代。”

这项题为《纳米机械系统中的内在声子缀饰态》（Intrinsic phononic dressed states in a nanomechanical system）的研究发表在《自然·物理学》上，由戈登与贝蒂·摩尔基金会、Wellcome Leap Delta Tissue项目、美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、美国国防高级研究计划局、亚马逊云服务、美国能源部以及加拿大自然科学与工程研究理事会资助。其他作者包括斯坦福大学的Oliver A. Hitchcock、Felix M. Mayor和Nathan R. Lee，以及密歇根州立大学的Mark I. Dykman教授。