“实现光纤和波导在机械激励下的等效组件，有可能彻底改变量子声学和声子学的新兴领域。”
大多数量子计算技术依赖于产生、操纵和检测非经典光状态的能力。非经典态是不能直接使用传统光源（如灯和激光）产生的量子态，因此不能用经典电磁学理论来描述。
这些非常规状态包括挤压状态、卷入状态和具有负维格纳（Wigner）函数的状态。类似地控制涉及声学和振动的声子系统状态的能力可以为开发新的量子技术开辟有趣的可能性，包括用于量子传感和量子信息处理的设备。
代尔夫特理工大学（TU Delft）卡夫利纳米科学研究所的研究人员最近引入了一种策略，可用于实现对声子波导的高水平控制。发表在《Nature Physics》上的一篇论文概述了这一策略，该策略可以使声子波导在量子技术中的使用成为可能，类似于当今光纤和波导的使用方式。
光纤和波导可以用来传输以光子编码的量子信息。在过去的几十年里，它们已经成为量子技术和经典通信技术的重要组成部分。
开展这项研究的研究人员之一Simon Gröblacher说：“实现光纤和波导在机械激励下的等效组件，有可能彻底改变量子声学和声子学的新兴领域。”“这种低损耗的声子波导不仅可以在芯片上引导和传输数十厘米的声子中编码的（量子）信息，而且还将构成对行进机械激发进行完全相干控制的基础。”
Gröblacher和他的同事最近工作的主要目标是设计一种方法来控制声子波导中的非经典机械状态，其中单个声子位于悬浮硅微结构中。他们的最终目标是引入一个新的工具箱来在量子声学领域进行实验，这反过来又可以让物理学家和工程师以新的方式与量子系统进行交互。
“声波与陷阱中单个原子或离子的振荡有着根本的不同，这是由于相关的大质量、它们的传播特性以及与大量其他量子系统（如量子点和超导量子比特）耦合的可能性，”Gröblacher说。“引导单个声子是实现混合量子器件和通过异构网络传输量子信息的关键一步。”
在过去的几年里，Gröblacher的研究小组进行了许多专注于声子设备的实验。在他们之前的研究中，他们能够利用辐射压力光机械相互作用在光子/声子晶体器件中创建、存储和检测单个声子。
作为他们最近研究的一部分，他们设计并实现了第一个产生非经典行进机械激发的声子波导。
“通过用薄膜硅制造波导，我们将波导与非经典机械状态的源和检测器结合起来，并能够验证这些量子态在波导中的传播，”Gröblacher解释说。“这些GHz频率的声波在高度受限的纳米级几何结构中被引导，具有长寿命（长达几毫秒），特别是在低温下，能够在芯片上传输数厘米距离的量子态。”
在他们的实验中，Gröblacher和他的同事表明，当在他们的波导中传播时，在不同时间发射的声子出现的非经典相关性是守恒的。这些非经典关联具有大约100μs的显著机械寿命，这意味着他们的系统理论上可以用于传输数十厘米以上的单个声子，而不会造成明显的能量损失。
研究人员还表明，他们的波导可用于实现声子先进先出（FIFO：First-In-First-Out）量子存储器。将来，这种量子存储器可能在电信和量子声学中具有有价值的应用。
更多信息：Amirparsa Zivari et al, Non-classical mechanical states guided in a phononic waveguide, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01612-0
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