摘要：这位沮丧的物理学家就是博士生 Mathieu Padlewski。Padlewski 与 EPFL 波工程实验室的 Hervé Lissek 和 Romain Fleury 合作，建立了一个新颖的声学系统，用于探索凝聚态物质及其宏观特性，同时避开了量子现象固有

为了突破量子物理的限制，研究人员建立了一个新的声学系统来研究凝聚态物质中微小原子之间的交流方式。他们希望有一天能制造出一台声学版本的量子计算机。

如果量子物理学家在研究密集排列的原子时，因量子力学的局限性而受挫，会发生什么情况？在 EPFL，你可以得到一种超材料，一种具有奇异性质的工程材料。

这位沮丧的物理学家就是博士生 Mathieu Padlewski。Padlewski 与 EPFL 波工程实验室的 Hervé Lissek 和 Romain Fleury 合作，建立了一个新颖的声学系统，用于探索凝聚态物质及其宏观特性，同时避开了量子现象固有的极其敏感的特性。此外，可以调整声学系统来研究超越固态物理的特性。研究结果发表在《物理评论 B》上。

“我们基本上是在量子力学的启发下建造了一个游乐场，可以调整它来研究各种系统。我们的超材料由高度可调的活性元素组成，使我们能够合成超出自然领域的现象，”帕德莱夫斯基说。“潜在的应用包括操纵波和引导电信能量，这种装置也许有一天会为从波中获取能量提供线索。”

薛定谔的猫，量子难题

在量子力学中，盒子里的猫既是死的又是活的，直到你通过测量来干扰系统，在这种情况下，测量是通过打开盒子来实现的。从纯量子的角度来看，猫处于两种可能状态的叠加：一种是死亡的可能状态，一种是活着的可能状态，直到你打开盒子观察猫是真的死还是活。猫不可能同时既死又活，这就是薛定谔猫的本质。薛定谔猫是埃尔温·薛定谔于 1935 年设计的思想实验，它说明了当想象量子概念超越量子尺度时，其复杂性，就像猫的尺度一样。

量子物理学的敏感性质使得观察固态变得如此困难，这源于测量系统的行为，测量系统的行为迫使量子系统进入一种状态，而不是让系统以概率状态的叠加形式不间断地存在。尽管如此，物理学家知道如何间接探测电子状态并推断其相应的特性。

用声波模拟量子现象

但在宏观世界中，还有另一种现象可以让薛定谔的猫完全合理，而且我们可以与之互动：声音。

以某人的声音为例，我们知道某人的声音之所以独特而丰富，是因为我们听到了整个频谱。频谱是特定声音的特征，但它也解释了为什么钢琴有其独特的音色，或者为什么小号的声音与长号不同。原则上，我们可以同时听到基频（即基态）以及所有称为谐波的较高频率。借用量子物理学的语言，我们实际上是同时听到许多状态的叠加。或者用薛定谔的猫来类比，这只猫既死又活，我们可以听到它！

“量子概率波毕竟是波——为什么不用声音来模拟它们呢？”帕德莱夫斯基说。“直接探测固态电子态而不进行扰动，就像让盲人不拄拐杖走过繁忙的街道一样。但在声学中，我们可以直接探测波的相位和振幅，而不会破坏状态——这很好。”

设计声学超材料

EPFL 制造的声学超材料由一排“声学原子”组成，本质上是 16 个小立方体，它们彼此连接，并带有开口，以便放置多个扬声器或麦克风。扬声器产生声波，这些声波将以受控方式通过声学原子线传播，麦克风测量声波以进行反馈控制。这些立方体可以看作是构建超越简单线的更复杂系统的构建块。

“耳蜗是耳朵中负责听觉的器官，当你看到耳蜗时，你会发现它在结构和功能上与我们的主动声学超材料非常相似，”利塞克说。“耳蜗由一排完美的细胞组成，可以放大不同的频率。我们的超材料可以调整为以相同的方式发挥作用，并研究耳鸣等听力问题。”

迈向量子启发的模拟计算

帕德莱夫斯基还热衷于利用超材料构建模块来研究如何构建首批能够产生不可分离状态的声学模拟计算机。受亚利桑那大学皮埃尔·戴米尔 (Pierre Deymier) 的研究启发，这台计算机本质上将是量子计算机的声学等效物。它将允许直接观察叠加状态而不会干扰系统，因为声波不像量子波那么脆弱。

“声学量子模拟计算机更像一个晶格——一个周期性的细胞阵列，就像原子在晶体中的排列一样，”Padlewski 补充道。“声学量子计算方法有可能提供一种同时处理大量信息的替代方法。”

来源：人工智能学家