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斯坦福大学的新实验硬件将机械设备集成到量子技术中

量子创投界

2022-04-25

导读：斯坦福大学的研究人员已经为未来基于量子物理的技术开发了一种关键的实验设备，该设备借鉴了当前的日常机械设备。

斯坦福大学的研究人员已经为未来基于量子物理的技术开发了一种关键的实验设备，该设备借鉴了当前的日常机械设备。

声学设备使用机械运动来执行有用的功能。它们可靠、小巧、耐用且高效。机械振荡器是这种设备的主要例子。当其受力时，设备的组件开始周期性运动，是跟踪时间、过滤信号和检测日常设备运动的最佳方式。

机械振荡器的量子态

Amir Safavi-Naeini

研究人员试图将机械系统的好处带入神秘量子领域的极小尺度，在这个领域，原子以违反直觉的方式进行微妙的相互作用。为此，由 Amir Safavi-Naeini 领导的斯坦福大学研究人员通过将微型纳米机械振荡器与一种以量子比特形式存储和处理能量的电路相结合，展示了新的能力。通过该设备研究人员可以操纵机械振荡器的量子态，产生量子力学效应，有朝一日可以增强先进计算和超精密传感系统的能力。

斯坦福大学人文学院应用物理系副教授 Safavi-Naeini 说：“有了这个设备，我们展示了在尝试构建基于机械系统的量子计算机和其他有用的量子设备方面迈出的重要一步。”科学。Safavi-Naeini 是 2022 年 4 月 20 日发表在《自然》杂志上描述该发现的一项新研究的资深作者。“我们实质上是在寻求建立‘机械量子力学’系统，”他说。

计算机芯片上的量子效应

该研究的共同第一作者 Alex Wollack 和 Agnetta Cleland 都是斯坦福大学的博士生，他们率先开发了这种基于力学的新型量子硬件。利用校园内的斯坦福纳米共享设施，研究人员在洁净室工作，同时穿着半导体制造厂穿的覆盖身体的白色“兔子服”，以防止杂质污染敏感材料。

Wollack 和 Cleland 使用专门的设备将纳米级分辨率的硬件组件制造到两个硅计算机芯片上。然后，研究人员将两个芯片粘合在一起，使底部芯片上的组件面向上半部分的组件，呈三明治式。

贝尔状态的概念图，其中一个单位的振动能量在两个振荡器之间共享。该系统同时存在于两种可能的状态：第一种可能的量子状态（括号中，加号左侧）显示右手振荡器振动而左手振荡器静止。第二种可能的状态显示振动能量占据左侧振荡器，而右侧振荡器仍然存在。该设备存在于两种可能状态的叠加中——这意味着每个振荡器同时移动和不移动——直到它被测量。系统的测量只会产生两个描述的（括号内的）结果之一：如果观察到左侧振荡器正在振动，则右侧必然是静止的，反之亦然。这说明了两个振荡器之间的纠缠：通过执行测量以了解有关仅一个振荡器的运动的信息，观察者还可以确定另一个振荡器的状态，而无需单独测量。

铝超导电路

在底部芯片上，Wollack 和 Cleland 制作了一个铝超导电路，形成了设备的量子比特。将微波脉冲发送到该电路中会产生光子（光粒子），这些光子会在设备中编码一个量子比特的信息。与将比特存储为代表 0 或 1 的电压的传统电子设备不同，量子力学设备中的量子比特还可以同时代表 0 和 1 的加权组合。这是因为称为叠加的量子力学现象，其中一个量子系统同时以多个量子态存在，直到系统被测量。

“现实在量子力学水平上的运作方式与我们对世界的宏观体验非常同，”Safavi-Naeini 说。顶部芯片包含两个纳米机械谐振器，由悬浮的桥状晶体结构形成，只有几十纳米（或十亿分之一米）长。晶体由压电材料铌酸锂制成。具有这种特性的材料可以将电力转换为运动，在这种设备的情况下，这意味着由量子位光子传递的电场被转换为称为声子的振动能量的量子（或单个单位）。

这些声子的产生使每个纳米机械振荡器都可以像一个寄存器一样工作，这是计算机中最小的数据保存元件，并且由量子比特提供数据。与量子比特一样，振荡器相应地也可以处于叠加状态——它们可以同时被激发（代表 1）和不被激发（代表 0）。超导电路使研究人员能够准备、读出和修改存储在寄存器中的数据，在概念上类似于传统（非量子）计算机的工作方式。

“梦想是制造一种与硅计算机芯片工作方式相同的设备，例如，在你的手机或拇指驱动器上，寄存器存储位，”Safavi-Naeini 说。“虽然我们还不能在拇指驱动器上存储量子比特，但我们正在用机械谐振器展示同样的东西。”

利用纠缠

除了叠加之外，器件中光子和谐振器之间的连接进一步利用了另一种重要的量子力学现象，称为纠缠。使纠缠态如此违反直觉并且在实验室中难以创建的原因在于，有关系统状态的信息分布在多个组件中。在这些系统中，可以同时了解两个粒子的所有信息，但对单独观察到的其中一个粒子一无所知。想象两枚硬币在两个不同的地方翻转，观察到正面或反面的随机概率相等，但是当比较不同地方的测量值时，它们总是相关的；也就是说，如果一枚硬币作为反面落地，另一枚硬币一定会作为正面落地。

在广受欢迎的基于量子的技术中，对多个叠加和纠缠的量子比特的操作是为计算和传感提供动力的一键式计算和传感。“没有叠加和大量纠缠，你就无法建造量子计算机，”Safavi-Naeini 说。

为了在实验中证明这些量子效应，斯坦福大学的研究人员生成了一个量子比特，作为光子存储在底部芯片的电路中。然后允许电路与顶部芯片上的一个机械振荡器交换能量，然后将剩余信息传输到第二个机械设备。通过以这种方式交换能量——首先用一个机械振荡器，然后用第二个振荡器——研究人员将该电路用作一种工具，以量子机械方式将两个机械谐振器相互纠缠。

“量子力学的奇异之处在这里得到了充分展示，”沃拉克说。“声音不仅以离散的单位出现，而且单个声音粒子可以在两个纠缠在一起的宏观物体之间共享，每个物体都有数万亿个原子一起运动——或不运动。”

为了最终进行实际计算，持续纠缠或相干的周期需要明显更长——大约几秒，而不是目前达到的几分之一秒。叠加和纠缠都是非常微妙的条件，即使是热或其他能量形式的轻微干扰也很脆弱，因此赋予了所提出的量子传感装置极高的灵敏度。但 Safavi-Naeini 和他的合著者相信，通过改进制造工艺和优化所涉及的材料，可以很容易地实现更长的相干时间。

“在过去的四年里，我们每年将系统性能提高近 10 倍，”Safavi-Naeini 说。“展望未来，我们将继续朝着设计量子机械设备（如计算机和传感器）迈出具体步伐，并将机械系统的优势带入量子领域。”