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背景介紹

通常，機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動模式被視為量子態(tài)中的諧振子，與非相互作用的量子稱為聲子（phonons）。這種模型是有效的，因為大多數(shù)材料的固有力學(xué)非線性非常弱，并且僅在大聲子數(shù)的經(jīng)典極限中起顯著作用。

然而，在玻色子模式下的單量子水平上的相干相互作用可以導(dǎo)致新的物理現(xiàn)象和量子技術(shù)中的重要應(yīng)用。在工程系統(tǒng)中，光子之間的相互作用是通過耦合到強(qiáng)非線性介質(zhì)來介導(dǎo)的，這種材料類似的弱本征電磁非線性已被克服。在光學(xué)頻率下，利用與原子的相互作用，已證明光子封鎖和雙光子束縛態(tài)等效應(yīng)。在微波環(huán)境下，超導(dǎo)諧振器中的非線性效應(yīng)可以通過結(jié)合約瑟夫森結(jié)來設(shè)計，并用于編碼復(fù)雜玻色子態(tài)的量子信息。對比電磁諧振器，機(jī)械諧振器的特點是壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠直接耦合并感知額外的自由度。

但是，目前單量子水平上的相干聲子相互作用仍然難以捉摸，主要是由于設(shè)計一種機(jī)械模式的挑戰(zhàn)，當(dāng)將其納入復(fù)雜的混合器件并耦合到一個不太相干的強(qiáng)非線性系統(tǒng)時，該模式仍保持其高相干性。

成果簡介

基于此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Yiwen Chu和Igor Kladari?（共同通訊作者）等人報道了在固態(tài)機(jī)械系統(tǒng)中實現(xiàn)了單聲子非線性狀態(tài)。本系統(tǒng)中的單聲子非諧性超過退相干率6.8倍，允許將其用作機(jī)械量子位并演示初始化，讀出和單量子位門。本方法為量子模擬、傳感和信息處理提供了一個強(qiáng)大的量子聲學(xué)平臺。

相關(guān)工作以《A mechanical qubit》為題在《Science》上發(fā)表。

圖文解讀

圖1.能級圖和光譜測量

圖2.利用Ramsey型序列測量聲子非諧性

圖3.機(jī)械量子比特Rabi振蕩

圖4.機(jī)械量子比特態(tài)的Wigner函數(shù)

總結(jié)展望

本研究結(jié)果證明了機(jī)械系統(tǒng)和機(jī)械量子比特的操作具有很強(qiáng)的可調(diào)諧非調(diào)和性。通過增加系統(tǒng)的機(jī)電耦合強(qiáng)度或相干性，提高系統(tǒng)的非調(diào)和退相干比。此外，還可以通過脈沖形狀工程抑制計算基外的泄漏，從而提高機(jī)械量子比特的操作保真度和速率，有助于使用為兩級系統(tǒng)開發(fā)的量子傳感協(xié)議，例如設(shè)備中的原子和自旋系統(tǒng)，其巨大的質(zhì)量使其特別適合于力傳感和基礎(chǔ)物理測試。

文獻(xiàn)信息

A mechanical qubit. Science, 2024,

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