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科学家实现在不破坏量子态的情况下测量机械量子系统的属性

 

在单个量子水平上控制机械运动的系统正在成为一个有前途的量子技术平台。新的实验工作现在确定了如何在不破坏量子态的情况下测量这种系统的量子特性--这是充分挖掘机械量子系统潜力的一个关键因素。当提到量子力学系统时,人们可能会想到单光子和隔离良好的离子和原子,或者电子在晶体中传播。在量子力学的背景下,更奇特的是真正的机械量子系统;也就是说,大质量物体的机械运动,如振动是量化的。

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图为声学共振器的光学显微镜图像(两个较大的圆盘,其内部是压电换能器)和连接到超导量子轨道(白色结构)的天线

在一系列开创性的实验中,机械系统的基本量子力学特征已经被观察到,包括能量量化和纠缠。然而,为了将这些系统用于基础研究和技术应用,观察量子特性仅仅是第一步。下一步是掌握机械量子物体的处理方法,使其量子状态可以被控制、测量,并最终在类似设备的结构中得到利用。

苏黎世联邦理工学院固体物理实验室的Zhu Yiwen小组现在已经在这个方向取得了重大进展。他们在《自然-物理学》杂志上撰文,报告了从机械量子系统中提取信息而不破坏珍贵的量子状态。这一进展为量子纠错等应用铺平了道路,甚至更多。

大规模量子力学

ETH的物理学家们采用了一块厚度略低于半毫米的高质量的蓝宝石作为他们的机械系统。在它的顶部有一个薄薄的压电换能器可以用来激发声波,这些声波在底部被反射,从而在板块内延伸出一个明确的体积。激发行为是大量原子的集体运动,但它们是可以量化的(以被称为声子的能量单位),并且至少在原则上可以受到量子操作的影响,其方式与原子、光子和电子的量子状态非常相似。

耐人寻味的是,有可能将机械谐振器与其他量子系统,特别是与超导量子比特连接。后者是微小的电子电路,其中的电磁能量状态是量化的,它们目前是构建可扩展量子计算机的主要平台之一。与超导电路相关的电磁场使量子比特能够与声学共振器的压电换能器耦合,从而与它的机械量子态耦合。

倒装芯片粘接的混合装置

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倒装芯片粘合的混合装置的照片,声学共振器芯片在超导量子比特芯片的顶部。底部芯片的长度为7毫米。

在这样的混合型量子比特-共振器设备中,可以结合两个世界的优点。具体来说,超导量子比特的高度发达的计算能力可以与声学模式的稳健性和长寿命同步使用,后者可以作为量子存储器或传感器。然而,对于这样的应用,仅仅耦合量子比特和谐振器的状态是不够的。例如,对谐振器中的量子状态的直接测量会破坏它,使重复测量成为不可能。相反,需要的是以更温和的、良好控制的方式提取机械量子态信息的能力。

非破坏性的路径

Zhu Yiwen带领的博士生Uwe von Lüpke、Yu Yang和Marius Bild与Branco Weiss研究员Matteo Fadel合作,并在学期项目学生Laurent Michaud的支持下,现在已经实现这种所谓的量子非破坏性测量的协议。在他们的实验测量过程中,超导量子比特和声学共振器之间没有直接的能量交换。相反,量子比特的属性取决于声学共振器中的声子数量,不需要直接"接触"机械量子状态--想想在美剧《生活大爆炸》中谢尔顿演奏过的特雷门琴(Theremin),这种乐器的音高取决于音乐家的手的位置,而不需要与乐器进行物理接触。

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创建一个混合系统,其中谐振器的状态反映在量子比特的频谱中,是非常具有挑战性的。对于量子状态在量子比特和谐振器中能维持多长时间,才会因外界的不完善和扰动而消失,有着严格的要求。因此,该团队的任务是推动量子比特和谐振器量子状态的寿命。通过一系列的改进后他们成功了,包括仔细选择所使用的超导量子比特的类型,并将混合装置封装在一个超导铝腔中以确保严密的电磁屏蔽。

在需要了解的基础上提供量子信息

在成功地将他们的系统推入所需的操作体系(被称为"强色散体系")之后,该团队能够在用不同的振幅刺激声学共振器,然后温和地提取其声子数量分布。此外,他们展示了一种方法,可以在一次测量中确定共振器中的声子数量是偶数还是奇数--一种所谓的奇偶性测量--而不需要了解关于声子分布的任何其他信息。获得这种非常具体的信息,但没有其他信息,在一些量子技术应用中是至关重要的。例如,奇偶性的变化(从奇数到偶数的转变或反之亦然)可以表明一个错误已经影响到了量子态,需要进行纠正。当然,这里至关重要的是,被纠正的状态不被破坏。

然而,在实施这种纠错方案之前,有必要进一步完善混合系统,特别是要提高操作的保真度。但是,到目前为止,量子纠错还不是地平线上的唯一用途。在科学文献中,有大量令人兴奋的理论建议,用于量子信息协议以及基础研究,这些建议得益于声学量子态驻留在大质量物体中的事实。例如,这为探索大型系统极限下的量子力学范围以及利用机械量子系统作为传感器提供了独特的机会。




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