2026年6月3日——每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。上升的物体必然下落。诸如此类的物理定律支配着整个自然界——但当今微处理器内部的微小组件除外，这些组件遵循量子物理学独特而复杂的规则运行。

随着驱动计算机、医疗设备、传感器等的微处理器体积不断缩小，工程师们面临着控制量子尺度系统的挑战。但在该技术向前迈出的一步中，弗吉尼亚理工大学的研究人员开发出了一种“声学原子”——一种芯片级器件，能够以模仿真实原子行为的方式捕获和控制声波。从长远来看，这些进展可能影响与量子人工智能（AI）、电信、医学成像、GPS等相关的技术。

该研究最近发表在《物理评论快报》上，作者是弗吉尼亚理工大学布拉德利电气与计算机工程系助理教授邵林波（音译），以及他在大学电力电子系统中心、物理系、量子信息科学与工程中心以及橡树岭国家实验室的同事。

量子领域为量子系统带来了多重挑战，例如可扩展性、信号的意外交互以及脆弱量子信息的有限寿命。振动、热量、材料缺陷和电磁噪声在量子尺度上也会产生巨大影响。

根据该研究，声波提供了一种紧凑且可持续的信号处理和路由方式，为量子与微波技术开辟了新的可能性。

“在自然界中，原子具有电子可以在其间跃迁的独特能级，”邵林波表示。“我们的声学原子是一种器件，它具有针对声波的独特能级。利用电场，我们可以驱动这些声学能级之间的跃迁，从而模拟真实原子。”

未来的新路径

通过重现原子系统中可控制的行为，研究人员可以探索未来信号处理与量子系统的新途径。与电磁波不同，声波可以限制在微观尺度内，并能更长时间地保存信息或能量。

根据该研究，声学原子最终可能有助于实现：

• 更小的微波通信组件
• 改进的信号路由与滤波
• 模拟计算系统
• 量子硬件的接口
• 高灵敏度传感技术

“最终，我们希望这个平台能提供一种全新的、高度紧凑的方式，直接在芯片上进行信号处理和模拟声学计算，”邵林波表示。“目前，我们使用的是经典、相干的微波源来驱动声波。要将这一技术推进到单个声子级别还有很长的路要走，但我们乐观地认为，通过与弗吉尼亚理工大学量子信息科学与工程中心及电力电子系统中心的教职人员合作，这一切很快就会实现。”