国际量子科技前沿｜声子工程：开启量子比特性能飞跃的新篇章

国际量子科技前沿｜声子工程：开启量子比特性能飞跃的新篇章

声子工程是通过设计和调控材料的结构来控制声子（即晶格振动的量子化形式）行为的技术。在量子计算中，声子工程的核心目标是通过改变材料的声子环境，抑制有害的声子-量子比特相互作用，同时保留或增强有益的相互作用。

2025年初，《自然·物理》期刊上发表了题为《通过声子工程实现更优量子比特》的评述和推介。该文章系统总结了两项突破性研究——日本团队Kazuhiro Kuruma等人的一维声子晶体实验，以及美国团队Mutasem Odeh等人的二维声子带隙工程。这两项成果通过精准设计量子比特的声学环境，显著抑制了量子退相干问题，为固态量子设备的实用化铺平了道路。本文将带您深入探索这一技术背后的科学逻辑，揭示声子如何从“干扰者”转变为量子世界的“信息快递员”。

研究背景：量子比特的“噪音烦恼”与声子的双面角色

量子技术的核心挑战——退相干

量子比特（Qubit）是量子计算机的基本单元，其独特之处在于可以同时处于0和1的叠加态。然而，这种脆弱的量子态极易被环境干扰破坏，这一过程称为“退相干”（Decoherence）。就像在嘈杂的房间里无法听清细微的声音一样，量子比特一旦受到外界噪声干扰，其存储的量子信息便会迅速丢失。

在固态量子设备中（如超导电路、金刚石色心、半导体量子点等），量子比特被固定在固态材料中。这种设计虽然便于集成和扩展，但也让量子比特与材料内部的原子振动——即“声子”（Phonon）——产生了不可避免的耦合。声子是晶格振动的量子化单元，它们的能量波动会像海浪冲击灯塔一样不断撼动量子比特的状态。

声子的双刃剑效应

有害的一面：
当声子以无序、随机的形式存在时，它们会通过两种方式干扰量子比特：

• 能量弛豫：量子比特通过发射或吸收声子损失能量，从激发态跌回基态（类似漏气的气球逐渐瘪掉）。
• 相位退相干：即使能量未改变，声子引起的频率涨落也会破坏量子比特的相位信息（如同钟表指针因震动而无法精准指向）。

有利的一面：
有趣的是，声子并非总是“反派角色”。在可控条件下，它们可以成为量子信息的理想载体：

• 经典控制：通过声波脉冲精确操控量子比特的翻转（类似用超声波清洗珠宝）。
• 量子互联：声子可作为“数据总线”，在不同量子比特间传递信息并建立纠缠（如同快递员在仓库间运送包裹）。

声子工程的突破口——带隙调控

要化解声子的矛盾角色，关键在于控制其传播方式。科学家从光子晶体的灵感出发，提出了“声子晶体”（Phononic Crystal）的概念：通过周期性排列不同弹性性质的材料（如硅与空气孔阵列），形成特定频率范围的“声子带隙”（Phononic Bandgap）。在带隙内，声子无法传播，就像隔音墙阻断了噪音（图1a）。若将量子比特的能级频率对准带隙，其与有害声子的耦合将被大幅抑制，从而延长量子态的寿命。

图一：基于声子局域态密度工程的量子比特调控，a) 声子局域态密度在特定频率范围内被抑制，b）Kuruma团队的金刚石中的硅空位色心（SiV Center）量子比特中的一维声子晶体，c）Odeh团队的二维带隙中的超导量子比特。

研究内容：声子工程的实验突破

实验一：金刚石色心的一维声子牢笼

团队与设计：
日本大阪大学的Kuruma团队选择金刚石中的硅空位色心（SiV Center）作为量子比特。这类色心的电子轨道态对声子极为敏感，但通过在其周围构建一维声子晶体（由纳米级硅柱周期性排列而成），研究人员成功打造了一个“声子牢笼”。

关键结果：

• 8倍弛豫抑制：实验显示，嵌入声子晶体的色心，其轨道态弛豫率降低了18倍。这意味着量子比特的存活时间显著延长，相当于将短跑选手的冲刺距离从100米提升到1.8公里。
• 单声子过程抑制：通过光谱分析，团队证实带隙有效阻断了自发单声子发射——这是能量泄漏的主要途径。

技术亮点：
该实验的纳米加工精度达到20纳米，相当于在头发丝直径的千分之一的尺度上雕刻声子结构。这种精密度可为未来三维声子器件的设计提供一定的基础。

图二：Kuruma课题组的单晶金刚石中的声子晶体

实验二：超导量子比特的二维声子护盾

团队与设计：
美国麻省理工学院的Odeh团队则聚焦超导量子比特。这类比特常受材料缺陷（如两能级系统，TLS）的困扰：TLS通过发射声子与量子比特耦合，引发不可控的能级跳跃。为此，团队在超导芯片下方设计了一种二维声子带隙结构（类似蜂窝状铝薄膜）。

关键结果：

• TLS寿命延长10倍：带隙结构使TLS的热弛豫时间从纳秒级跃升至微秒级。这相当于将易爆的鞭炮改造成了稳定的定时炸弹。
• 噪声抑制：量子比特的退相干时间提升，且其频率涨落显著降低，为高精度量子门操作扫清了障碍。

技术亮点：
该实验创新性地将量子比特本身作为探测器，通过测量其与TLS的相互作用动态，反向推演声子环境的变化。这种“以子之矛攻子之盾”的方法为复杂器件的表征提供了新思路。

图三：Odeh课题组声子带隙超 材料中的超导量子比特

声子工程的扩展潜力

两项研究共同揭示了声子工程的深远影响：

1. 量子声动力学（QAD）：类比量子电动力学（QED），科学家有望观测声子版本的“兰姆位移”等效应，探索全新的量子调控机制。
2. 混合量子系统：声子可与光子、磁子（Magnon）、自旋等量子态耦合，构建多功能量子网络。例如，声子电路可充当“翻译官”，将超导比特的微波信号转换为光学频率，实现远距离量子通信。
3. 规模化制造：声子晶体的微纳加工技术已趋成熟，未来或可像集成电路一样批量生产声子芯片，推动量子计算机的实用化进程。

总结与展望：声子技术的星辰大海

当前成就

声子工程为解决量子退相干问题提供了革命性方案：

• 抑制噪声：通过带隙设计屏蔽有害声子，将量子比特寿命提升一个数量级。
• 增强可控性：为声子赋予“编程能力”，使其从干扰源转变为信息载体。

未来挑战

尽管前景光明，仍需攻克以下难题：

• 复杂结构优化：三维声子晶体的设计与加工仍面临巨大挑战。
• 多物理场耦合：如何协调声子与光子、磁子等不同量子系统的相互作用？
• 低温兼容性：超导量子设备需在接近绝对零度运行，声子结构的热稳定性亟待验证。

终极愿景

科学家预言，声子技术可能催生全新的量子技术分支——“量子声学”。届时，声子将不再是量子世界的配角，而是成为构建量子互联网、量子传感器乃至拓扑量子计算的基石。正如光纤革命重塑了经典通信，声子工程或将开启第二次量子革命的下一个黄金时代。

结语

从隔音墙到信息桥，声子工程的突破不仅是技术的胜利，更是人类对微观世界掌控力的飞跃。当我们学会“驯服”这些无形的原子振动，量子比特的稳定之梦终将照进现实。

参考文献：
Zou, CL., Sun, L. Better qubits through phononic engineering.Nat. Phys.(2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02775-8
Kuruma, K., Pingault, B., Chia, C.et al. Controlling interactions between high-frequency phonons and single quantum systems using phononic crystals.Nat. Phys.21, 77–82 (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02697-5
Odeh, M., Godeneli, K., Li, E. et al. Non-Markovian dynamics of a superconducting qubit in a phononic bandgap.Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02740-5
Mo Chen et al. ,Phonon engineering of atomic-scale defects in superconducting quantum circuits.Sci. Adv.10,eado6240(2024).DOI:10.1126/sciadv.ado6240