Pierre Deymier（右）和亚利桑那大学校长Robert C. Robbins在检查能用声子造出Bell态的声学系统。 （图片来源：Paul Tumarkin，Tech Launch Arizona）
人类在数字时代创造了大量数据——无论通过像社交媒体帖子、邮件和谷歌搜索这样的日常活动，或是更复杂的关于健康、金融和科学发现的信息。
在Communications Physics发表的一篇论文中，来自亚利桑那大学（University of Arizona）材料科学与工程系（Department of Materials Science and Engineering, MSE）的研究者证明了在经典环境中，声波能进行量子信息处理且没有时间和易碎性的限制。
“我们能够运行我们的系统很多年，”论文的作者之一、MSE研究主任Keith Runge说，“系统非常平稳，以至于我们可以带它去外面的展会而它不受到一点扰动，在今年早些时候，我们确实这么做了。”
国际数据公司（International Data Corp.）报道称，在2018年，全球数据域包含了33ZB，即33万亿GB。他们预测这个数字在2025年会上升到175ZB。将175ZB的信息储存在DVD中，这些DVD足足可以绕地球转222圈。
尽管量子计算被标榜为一种能在大数据中智能检索的途径，量子环境却难以创造和维持。量子比特纠缠通常持续不到一秒就塌缩了。量子比特还对周围环境高度敏感，必须保存在低温下。
材料科学与工程研究助理教授Arif Hasan领导了该项研究。其他合著者包括MSE研究助理教授Lazaro Calderin，本科生Trevor Lata，MSE和光学科学教授Pierre Lucas，及MSE系主任、应用数学研究生跨学科项目（applied mathematics Graduate Interdisciplinary Program）成员、BIO5研究所成员Pierre Deymier。该小组与亚利桑那科技发布（Tech Launch Arizona），即亚利桑那大学致力于将研究成果商业化的办事处合作，为他们的设计申请专利，并投资商业途径将创新带到公众面前。
在经典计算中，信息被储存为0或1，正如一枚硬币落地不是正面就是反面。在量子计算中，量子比特却可以被同时储存在两个态上，即所谓的叠加态。想想高速旋转的立着的硬币，好像正面和反面可以同时出现。
当量子比特纠缠时，一个量子比特发生的任何事会通过不可分离性（nonseparability）影响着另一个。换句话说，碰倒一枚在旋转的硬币，在同一桌子上旋转的另一枚硬币也会摔落。非定域性（nonlocality）使粒子即使相距甚远也能保持联系——碰倒一枚旋转的硬币，其在宇宙另一端纠缠的对应硬币也会摔落。纠缠的量子比特形成了Bell 态，即一个集体的任一部分都受着其余部分影响的状态。
“这很关键，因为如果你只操纵一个量子比特，就能操纵所有的量子比特，”Deymier说道。“在普通计算机中，你有非常多比特的信息被储存为0或1，你不得不去处理其中的每一个。”
然而，就像硬币旋转一样，量子力学是脆弱的。测量量子态的行为会导致量子塌缩（collapse）或消相干（decohere），就像给旋转的硬币拍照就意味着只能捕捉到硬币的一面。这就是为什么量子比特态只能在短时间内维持的原因。
但存在一种用量子力学进行数据处理的方法：光学科学家、电子学和计算机工程研究人员证明了可以创造出一种光子（光的单元）系统，它们只展现不可分离性而不存在非定域性。尽管非定域性对一些特定应用如密码学很重要，但是对量子计算来说重要的其实是不可分离性。而且比起量子Bell态中纠缠的粒子，在经典Bell态中不可分离的粒子更具稳定性。
该材料科学与工程学小组拓展了上述研究，首次证明了经典不可分离性不仅可适用于光波，还适用于声波。他们利用phi比特，即由可以传输声波和热的准粒子声子来组成单元。
激光和单光子属于光子学的研究领域，但声波归入了声子学或对声子的研究下，”Deymier说道，“经典的纠缠声波不仅稳定，而且易于相互作用和人为操控。”
证明这样一个复杂概念的材料却是简单的，包括三根铝棒，用来连接它们的足够的环氧树脂以及增加弹性的橡皮圈。
研究者向铝棒发射声波振动，接着监测波的两个自由度：波在棒上是向前还是向后运动，和棒如何相对其他棒运动（它们是否以相同的方向和相似的振幅波动）。为了激发系统到不可分离态，他们找出当这两个自由度相关时的频率，并以该频率发射波。结果呢？Bell态出现了。
“所以，我们有了一个具有创造Bell态可能性的声学系统，”Deymier说道，“这是对量子力学的完全模拟。”
这种可能性的证明，为应用经典不可分离性到新兴声子学领域打开了大门。接下来，研究者将增加可被经典地纠缠的自由度数量——越多越好。他们还想研发算法，利用这些不可分离态去控制信息。
他们计划改变系统大小，从在桌面上的尺度缩小到微型尺度。系统一旦被成功改进，将被应用在全球数据中心的计算机芯片上。
作者：Emily Dieckman
翻译：任雨涵
审校：戴晨
引进来源：亚利桑那大学
引进链接：https://phys.org/news/2019-09-soundwaves-big-stability-ease.html
本文来自：环球科学
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