当歌手高声唱歌，吉他手伴奏时，声波在空气中传播，驱动分子的集体振荡。与此同时，在量子层面，类似的事情正在发生。材料内部的原子，从人体到金属等，都会自然地晃动，产生微小的振动波，在材料上荡漾。这些振动被称为声子：声波的量子版本。

将量子行为集成到NEMS中

现在，加州理工学院和斯坦福大学的物理学家开发了称为纳米机电系统（NEMS）的器件，使声子能够仅通过构成器件材料的固有属性展现其量子行为。此前，没有外部量子装置（如超导量子比特）的帮助，是无法观察到此类行为的。

这意味着，通过这一新发现的机制，单个NEMS设备例如可以作为一个极为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的振动成为非线性的。如果你把非线性系统的能级想象成梯子上的阶梯，就好像阶梯阶梯间隔不均匀。

“你不希望在量子应用中使用线性系统，因为那样你无法判断系统处于什么状态——系统能做的所有步骤变化看起来都一样，”加州理工学院博士后学者、该新研究的联合第一作者Mert Yuksel博士说。“所以，实现非线性是目标，现在我们可以在NEMS中内在实现这一点。”

这项新工作属于新兴的量子声学领域，标志着创造利用单一声子精确探测材料极微小变化的量子传感装置的下一步。这些研究成果发表在《自然物理》期刊上，在量子计算和量子通信以及生物测量领域具有应用价值——这是加州理工-斯坦福团队的主要研究重点。

《自然物理学》的研究题为《纳米机械系统中的内在声响修饰态》。

监听单个分子

“我们的目标基本上是听到分子的声音，”Yuksel说。“声子生活在我们的装置中，我们感知到的是与这些声子耦合的粒子，比如分子落在装置上。我们想了解分子的独特性质：内部结构、功能、如何与药物结合、如何在主动和被动状态之间切换等等。”

斯坦福大学研究生、新研究的联合主笔Matthew Maksymowych表示：“对于这项工作来说，我们的设备必须对环境变化极为敏感，同时又足够稳定以避免虚假信号和噪声。我们的大部分工作都集中在解决这一悖论。”

通过在量子层面工作，传感器有望解锁关于分子及其动力学的更深层信息。

“我们正在努力对单个分子进行量子测量，”加州理工学院物理、应用物理与生物工程弗兰克·J·罗谢克教授、新研究首席研究员迈克尔·鲁克斯说。

“当你通过降低温度将我们的设备带入量子领域时，其核心思想是我们可以在最基本的层面聆听蛋白质结构的内部动力学。”

从量子光学到量子声学

量子光学领域关注单光子，即光束，而量子声学则研究振动能量的离散包，称为声子。（“phonon”一词来源于希腊语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装置，以实现单声子水平的工作，但它们必须与另一种装置（如超导量子比特）耦合才能正常工作。

在这项新研究中，研究人员调校了NEMS设备，使其本质上在单声子能级工作，无需额外的外部设备。

封装器件芯片概述，该芯片通过线键连接到印刷电路板，为稀释冰箱中的低温实验做准备。图片来源：奥利弗·希区柯克/斯坦福大学

将缺陷转化为有用的功能

这一新的NEMS设计方案利用了材料中被称为两能级系统的现象。在这些系统中，原子在材料内的两种空间配置之间切换，这两种配置在能量上都有利——对人类来说，这就像在躺椅上两个舒适的位置之间来回切换。

通常，这些两能级态被视为缺陷，因为它们可以“寄生性地从量子系统中窃取能量”，鲁克斯说。

然而，这项新工作利用了这些缺陷，这些缺陷自然存在于NEMS器件图案化的材料中。通过降低器件温度并施加电磁或机械力，研究人员能够调谐器件与缺陷共振，从而产生非线性效应。

“就像一个广播电台，你可以调频听不同的缺陷，”Yuksel说。

重新思考长期困扰的材料缺陷

现为斯坦福应用物理学教授、新研究的合著者阿米尔·萨法维-奈尼博士表示：“自20世纪70年代以来，人们一直认为低温固体充满了两能级系统缺陷，即原子或原子簇以两种配置叠加态态并在它们之间穿隧。

“这些本质缺陷是个大问题，也是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。我得承认，直到看到Mert和Matthew的数据，显示NEMS器件中仅有一个缺陷就足以诱发单声子敏感性，我才真正相信这些新结果。”

马克西莫维奇补充道：“我觉得非常惊人，我们设备中的声子能够以如此可重复的方式感知单个固态缺陷，可能由几个原子组成。我们竟然能用一块材料重现单原子量子光学实验，这实际上是数十亿个原子的组成，这真是令人惊讶。”

研究人员表示，下一步是将自己的缺陷工程化到NEMS设备中，而不是依赖自然存在的缺陷。“我们希望开启量子测量的新纪元，”鲁克斯说。“一个让我们能够调谐到量子世界的声音的声音。”

出版信息

M. Yuksel 等，纳米机械系统中的内在声系修饰态，《自然物理》（2026）。DOI： 10.1038/s41567-026-03225-3

期刊信息：《自然物理》