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研究人員試圖將機械系統的好處帶入神秘的量子領域的極小尺度，在那里，原子以反直覺的方式進行微妙的互動和行為。為此，阿米爾-薩法維-納伊尼領導的斯坦福大學研究人員通過將微小的納米機械振蕩器與一種能夠以量子比特或量子信息"比特"的形式存儲和處理能量的電路耦合，展示了新的能力。利用該設備的量子比特，研究人員可以操縱機械振蕩器的量子狀態(tài)，產生各種量子力學效應，這些效應有朝一日可以賦予先進的計算和超精確的傳感系統。
斯坦福大學人文與科學學院應用物理系副教授薩法維·納伊尼說："通過這個裝置，我們展示了在嘗試建立量子計算機和其他基于機械系統的有用量子裝置方面的重要下一步。"Safavi-Naeini是2022年4月20日發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究的高級作者，他說："我們本質上是在尋找建立'機械量子力學'系統。
在計算機芯片上激發(fā)量子效應
該研究的聯合第一作者亞歷克斯·沃拉克和阿涅塔·克利蘭都是斯坦福大學的博士生，他們牽頭并正努力開發(fā)這種基于機械的新量子硬件。利用斯坦福大學校園內的納米共享設施，研究人員在潔凈室中工作，利用專門的設備，沃勒克和克利蘭在兩個硅計算機芯片上以納米級的分辨率制造硬件組件。然后，研究人員將這兩塊芯片粘在一起，使底層芯片上的元件面對上層芯片上的元件，呈三明治形態(tài)。
貝爾狀態(tài)的概念圖，其中一個單位的振動能量在兩個振蕩器之間共享。該系統同時存在兩種可能的狀態(tài)：第一種可能的量子狀態(tài)(括號內，加號左側)顯示右側振蕩器在振動，左側振蕩器靜止。第二種可能狀態(tài)顯示振動能量占據左手振蕩器，而右手振蕩器靜止。該裝置存在于兩種可能狀態(tài)的疊加中--意味著每個振蕩器同時既運動又不運動--直到它被測量。對該系統的測量將只產生兩個描述的(括號內)結果中的一個。如果觀察到左邊的振蕩器在振動，那么右邊的振蕩器必然是靜止的，反之亦然。這說明了兩個振蕩器之間的糾纏關系。通過進行測量以了解有關一個振蕩器運動的信息，觀察者也將確定另一個振蕩器的狀態(tài)，而不需要單獨測量。
在底部的芯片上，沃拉克和克萊蘭制作了一個鋁制超導電路，形成了該設備的量子比特。向該電路發(fā)送微波脈沖會產生光子(光的粒子)，從而在設備中編碼一個信息量子比特。與傳統的電氣設備不同，傳統的電氣設備將比特存儲為代表0或1的電壓，而量子力學設備中的量子比特也可以同時代表0和1的加權組合。這是因為被稱為疊加的量子力學現象，即一個量子系統同時存在于多個量子狀態(tài)，直到該系統被測量。
頂部的芯片包含兩個納米機械諧振器，由懸浮的、類似橋梁的晶體結構形成，長度只有幾十納米--或十億分之一米--。這些晶體由鈮酸鋰制成，是一種壓電材料。具有這種特性的材料可以將電力量轉化為運動，在這個裝置的情況下，這意味著由qubit光子傳達的電場被轉化為稱為聲子的振動能量的量子(或單一單位)。
"就像光波被量化為光子一樣，聲波被量化為稱為聲子的'粒子'，克利蘭說，"通過在我們的設備中結合這些不同形式的能量，我們創(chuàng)造了一種混合量子技術，同時利用了兩者的優(yōu)勢。"
這些聲子的產生允許每個納米機械振蕩器像一個寄存器一樣行事，這是計算機中最小的可能的數據保存元件，并由量子比特提供數據。與量子位一樣，振蕩器相應地也可以處于疊加狀態(tài)--它們可以同時處于激發(fā)(代表1)和非激發(fā)(代表0)狀態(tài)。超導電路使研究人員能夠準備、讀出和修改存儲在寄存器中的數據，概念上類似于傳統(非量子)計算機的工作方式。
利用糾纏
除了疊加，該設備中的光子和諧振器之間的聯系進一步利用了另一個重要的量子力學現象，即糾纏。糾纏狀態(tài)之所以如此反常，而且在實驗室中也是出了名的難以創(chuàng)造，是因為關于系統狀態(tài)的信息分布在一些部件上。在這些系統中，有可能同時知道兩個粒子的一切，但對其中一個單獨觀察的粒子卻一無所知。想象一下，兩枚硬幣在兩個不同的地方被翻轉，并被觀察到以相同的概率隨機落地為頭或尾，但當不同地方的測量結果被比較時，它們總是相關的；也就是說，如果一個硬幣落地為尾，另一個硬幣就保證落地為頭。
操縱多個量子比特，所有這些都處于疊加和糾纏狀態(tài)，是為計算和傳感提供動力的重要步驟，這也是備受追捧的基于量子的核心技術。"薩法維·納伊尼說："如果沒有疊加和大量的糾纏，你就無法建立一個量子計算機。"
為了在實驗中展示這些量子效應，斯坦福大學的研究人員產生了一個單一的量子比特，作為一個光子存儲在底部芯片的電路中。然后讓該電路與頂部芯片上的一個機械振蕩器交換能量，再將剩余的信息轉移到第二個機械裝置上。通過以這種方式交換能量--首先與一個機械振蕩器交換，然后與第二個振蕩器交換--研究人員將該電路作為工具，以量子力學方式將兩個機械諧振器相互糾纏在一起。
沃拉克說："量子力學的怪異性在這里得到了充分展示。"不僅聲音是以離散的單位出現的，而且一個聲音粒子可以在兩個糾纏的宏觀物體之間共享，每個物體都有數萬億的原子在協同運動--或不運動。"
為了最終進行實際計算，持續(xù)糾纏或相干的時間將需要大大延長--在幾秒鐘的數量級上，而不是迄今為止實現的零點幾秒。疊加和糾纏都是非常微妙的條件，甚至容易受到熱或其他能量形式的輕微干擾，并相應地賦予擬議的量子傳感設備以精致的靈敏度。研究者認為，通過磨練制造工藝和優(yōu)化相關材料，更長的相干時間是可以輕易實現的。
"在過去的四年里，我們的系統性能每年提高了近10倍，"薩法維·納伊尼說。"今后，我們將繼續(xù)朝著設計量子機械設備的方向邁出具體步驟，如計算機和傳感器，并將機械系統的優(yōu)點帶入量子領域。"
浙公網安備 33010602000006號
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