斯坦福大学的新试验性硬件将机械装置融入量子技术中

斯坦福大学的研究人员为未来基于量子物理的技术开发了一种关键的实验设备，它借用了当前日常机械装置的灵感。声学设备使用机械运动来执行有用的功能，它们是可靠的、小型的、持久的和高效的。机械振荡器是这种设备的一个主要例子。当受到一种力量的影响时--例如声音--该设备的部件开始围绕其原始位置来回移动。创造这种周期性运动是跟踪时间、过滤信号和检测日常设备（如电话、电脑和手表）运动的一种便捷方式。

研究人员试图将机械系统的好处带入神秘的量子领域的极小尺度，在那里，原子以反直觉的方式进行微妙的互动和行为。为此，阿米尔-萨法维-纳伊尼领导的斯坦福大学研究人员通过将微小的纳米机械振荡器与一种能够以量子比特或量子信息"比特"的形式存储和处理能量的电路耦合，展示了新的能力。利用该设备的量子比特，研究人员可以操纵机械振荡器的量子状态，产生各种量子力学效应，这些效应有朝一日可以赋予先进的计算和超精确的传感系统。

斯坦福大学人文与科学学院应用物理系副教授萨法维·纳伊尼说："通过这个装置，我们展示了在尝试建立量子计算机和其他基于机械系统的有用量子装置方面的重要下一步。"Safavi-Naeini是2022年4月20日发表在《自然》杂志上的一项新研究的高级作者，他说："我们本质上是在寻找建立'机械量子力学'系统。

在计算机芯片上激发量子效应

该研究的联合第一作者亚历克斯·沃拉克和阿涅塔·克利兰都是斯坦福大学的博士生，他们牵头并正努力开发这种基于机械的新量子硬件。利用斯坦福大学校园内的纳米共享设施，研究人员在洁净室中工作，利用专门的设备，沃勒克和克利兰在两个硅计算机芯片上以纳米级的分辨率制造硬件组件。然后，研究人员将这两块芯片粘在一起，使底层芯片上的元件面对上层芯片上的元件，呈三明治形态。

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。该系统同时存在两种可能的状态：第一种可能的量子状态（括号内，加号左侧）显示右侧振荡器在振动，左侧振荡器静止。第二种可能状态显示振动能量占据左手振荡器，而右手振荡器静止。该装置存在于两种可能状态的叠加中--意味着每个振荡器同时既运动又不运动--直到它被测量。对该系统的测量将只产生两个描述的（括号内）结果中的一个。如果观察到左边的振荡器在振动，那么右边的振荡器必然是静止的，反之亦然。这说明了两个振荡器之间的纠缠关系。通过进行测量以了解有关一个振荡器运动的信息，观察者也将确定另一个振荡器的状态，而不需要单独测量。

在底部的芯片上，沃拉克和克莱兰制作了一个铝制超导电路，形成了该设备的量子比特。向该电路发送微波脉冲会产生光子（光的粒子），从而在设备中编码一个信息量子比特。与传统的电气设备不同，传统的电气设备将比特存储为代表0或1的电压，而量子力学设备中的量子比特也可以同时代表0和1的加权组合。这是因为被称为叠加的量子力学现象，即一个量子系统同时存在于多个量子状态，直到该系统被测量。

顶部的芯片包含两个纳米机械谐振器，由悬浮的、类似桥梁的晶体结构形成，长度只有几十纳米--或十亿分之一米--。这些晶体由铌酸锂制成，是一种压电材料。具有这种特性的材料可以将电力量转化为运动，在这个装置的情况下，这意味着由qubit光子传达的电场被转化为称为声子的振动能量的量子（或单一单位）。

"就像光波被量化为光子一样，声波被量化为称为声子的'粒子'，克利兰说，"通过在我们的设备中结合这些不同形式的能量，我们创造了一种混合量子技术，同时利用了两者的优势。"

这些声子的产生允许每个纳米机械振荡器像一个寄存器一样行事，这是计算机中最小的可能的数据保存元件，并由量子比特提供数据。与量子位一样，振荡器相应地也可以处于叠加状态--它们可以同时处于激发（代表1）和非激发（代表0）状态。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，概念上类似于传统（非量子）计算机的工作方式。

利用纠缠

除了叠加，该设备中的光子和谐振器之间的联系进一步利用了另一个重要的量子力学现象，即纠缠。纠缠状态之所以如此反常，而且在实验室中也是出了名的难以创造，是因为关于系统状态的信息分布在一些部件上。在这些系统中，有可能同时知道两个粒子的一切，但对其中一个单独观察的粒子却一无所知。想象一下，两枚硬币在两个不同的地方被翻转，并被观察到以相同的概率随机落地为头或尾，但当不同地方的测量结果被比较时，它们总是相关的；也就是说，如果一个硬币落地为尾，另一个硬币就保证落地为头。

操纵多个量子比特，所有这些都处于叠加和纠缠状态，是为计算和传感提供动力的重要步骤，这也是备受追捧的基于量子的核心技术。"萨法维·纳伊尼说："如果没有叠加和大量的纠缠，你就无法建立一个量子计算机。"

为了在实验中展示这些量子效应，斯坦福大学的研究人员产生了一个单一的量子比特，作为一个光子存储在底部芯片的电路中。然后让该电路与顶部芯片上的一个机械振荡器交换能量，再将剩余的信息转移到第二个机械装置上。通过以这种方式交换能量--首先与一个机械振荡器交换，然后与第二个振荡器交换--研究人员将该电路作为工具，以量子力学方式将两个机械谐振器相互纠缠在一起。

沃拉克说："量子力学的怪异性在这里得到了充分展示。"不仅声音是以离散的单位出现的，而且一个声音粒子可以在两个纠缠的宏观物体之间共享，每个物体都有数万亿的原子在协同运动--或不运动。"

为了最终进行实际计算，持续纠缠或相干的时间将需要大大延长--在几秒钟的数量级上，而不是迄今为止实现的零点几秒。叠加和纠缠都是非常微妙的条件，甚至容易受到热或其他能量形式的轻微干扰，并相应地赋予拟议的量子传感设备以精致的灵敏度。研究者认为，通过磨练制造工艺和优化相关材料，更长的相干时间是可以轻易实现的。

"在过去的四年里，我们的系统性能每年提高了近10倍，"萨法维·纳伊尼说。"今后，我们将继续朝着设计量子机械设备的方向迈出具体步骤，如计算机和传感器，并将机械系统的优点带入量子领域。"