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科学家首次实现对机械系统量子控制 为量子传感器开辟新途径

发布时间:2018-11-27

    在过去的十年里,科学家们在建立和控制基于量子力学奇异规则的系统方面取得了巨大的进步。量子力学描述了亚原子尺度上粒子的行为。

 

  但是,一个挑战是如何让精密的量子系统更好地与机械系统——任何带有运动部件的系统——合作,这是许多现有技术的基础。

 

  第一次,芝加哥大学分子工程研究所和阿贡国家实验室的科学家们建立了一个机械系统——一个用于声波的小“回音室”——通过连接到量子电路,可以在量子水平上进行控制。

 

  11月21日发表在《自然》(Nature)杂志上的这一突破可能将量子技术的触角延伸到新的量子传感器、通信和存储领域。

 

  “让这两种技术相互交流是所有量子应用的关键第一步,”首席研究作者安德鲁·克莱兰(Andrew Cleland)说。他是约翰·a·麦克林(John a . MacLean)的分子工程创新与企业教授,也是阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的资深科学家。

 

  “通过这种方法,我们实现了对机械系统的量子控制,其水平远远超出了以往的水平。”

 

  克莱兰说,人们对集成量子和机械系统特别感兴趣,以便制造出精确得令人难以置信的量子传感器,能够探测到最微小的振动或与单个原子相互作用。

 

  他说:“许多探测物体的技术依赖于感知力和位移——也就是运动。”

 

  “这些传感器在任何类型的应用程序中都扮演着重要的角色,在这些应用程序中,你试图测量一些东西。”

 

  “而机械系统是最容易建立和最敏感的,所以长期以来人们都对将它们带到量子极限很感兴趣。”

 

  (例如,机械传感器是探测重力波系统的核心——重力波是时空结构中的涟漪,它使我们能够“看到”黑洞在宇宙中碰撞。)

 

  克莱兰的研究部分集中在量子电路上,他想把这些电路中的一个连接到一个产生表面声波的装置上。表面声波是沿着一块固体材料表面流动的微小声波,就像荡漾在池塘表面的涟漪。

 

  这种现象在手机、车库开门器和收音机等日常设备中起着关键作用。

 

  一个关键的突破是在不同的材料上分别建立两个系统,然后将它们连接在一起。这使得团队可以优化每个组件,但仍然可以彼此通信。

 

  两者都必须保持非常非常冷——仅仅比绝对零度高出万分之一度。

 

  科学家们很兴奋,因为这给了他们一个在量子水平上实验声音的平台。

 

  “这个特殊的结果为我们打开了一扇门,让我们可以用声音做很多已经能用光做的事情。”克莱兰说。

 

  “声音比光慢10万倍,这就给了你更多的时间去做事。”

 

  “例如,如果你将量子信息存储在内存中,它在声音中存储的时间要比在光中存储的时间长得多。”

 

  他说,关于声波在量子领域的行为,还有许多根本没有答案的问题,而这个系统可以为科学家提供一个平台来解决这些问题。

 

  这项技术还能为量子“转换器”指明方向,使量子通信可以跨越任何距离。

 

  克莱兰团队研究的电子原子只能在极低的温度下工作和交流;量子声学可以使这些电路将量子信息转换成光学信号,然后在室温下进行远距离通信。

 

  克莱兰说,声波装置有可能成为这种被称为量子中继器的系统的基础。

 

  耶鲁大学的Robert Schoelkopf在同一版《自然》杂志上发表的另一项研究也报告了单声子激发的产生。

 

  作者说,这两项研究共同为存储量子信息开辟了一条新途径。

 

  这些器件是在IME的普利兹克纳米制造设备(Pritzker Nanofabrication Facility)中制造的。


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