超导光机械研究迎来突破：机械振荡器技术的量子飞跃

洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家们开发出了一种超导电路光机械平台，该平台展示了超低量子退相干和高保真量子控制。他们在"真空间隙鼓头电容器"方面的开创性工作使机械振荡器达到了迄今为止最长的量子态寿命，为量子计算和传感领域的新应用铺平了道路。

超导机电系统的扫描电子显微镜图像。资料来源：Amir Youssefi（EPFL）

(资料图)

过去十年来，科学家们在机械系统中产生量子现象方面取得了巨大进步。十五年前看似不可能的事情如今已成为现实，因为研究人员成功地在宏观机械物体中产生了量子态。

通过将这些机械振荡器与光子（被称为"光机械系统"）耦合，科学家们已经能够将它们冷却到接近量子极限的最低能级。他们还设法"挤压"它们，进一步降低它们的振动，并使它们相互缠结。这些进步为量子传感、量子计算中的紧凑存储、量子引力的基本测试，甚至暗物质的寻找带来了新的机遇。

操作光机械系统的困境

为了在量子体系中有效地运行光机械系统，科学家们面临着两难选择。一方面，机械振荡器必须与环境适当隔离，以尽量减少能量损耗；另一方面，它们必须与其他物理系统（如电磁谐振器）良好耦合，以便对其进行控制。

要实现这一平衡，就必须最大限度地延长振荡器的量子态寿命，而这一寿命会受到环境热波动和振荡器频率不稳定性的影响，即该领域所称的"退相干"。从引力波探测器中使用的巨型反射镜到高真空中的微小被困粒子，这在各种系统中都是一个长期存在的挑战。与超导量子比特或离子阱等其他技术相比，当今的光机电系统仍然显示出较高的退相干率。

EPFL 的突破： 超低量子退相干

现在，洛桑联邦理工学院托比亚斯-基彭伯格实验室的科学家们通过开发一种超导电路光机电平台解决了这一问题，该平台在保持大的光机电耦合的同时显示出超低量子退相干，从而实现了高保真量子控制。这项研究成果于8月10日发表在《自然-物理》杂志上。

领导该项目的博士生阿米尔-尤塞菲（Amir Youssefi）说："简单地说，我们展示了有史以来在机械振荡器中实现的最长量子态寿命，它可用作量子计算和通信系统中的量子存储元件。这是一项重大成就，影响着量子物理学、电子工程和机械工程领域的众多受众。"

关键要素： 真空间隙鼓头电容器

这项突破的关键要素是"真空间隙鼓头电容器"，这是一种由悬浮在硅基板沟槽上的铝薄膜制成的振动元件。该电容器是振荡器的振动元件，同时也构成了一个谐振微波电路。

通过一种新颖的纳米制造技术，研究小组大大降低了鼓头谐振器的机械损耗，实现了前所未有的热退相干速率，仅为 20 赫兹，相当于 7.7 毫秒的量子态寿命--这是机械振荡器中实现的最长寿命。

结果和意义

热诱导退相干的显著降低使研究人员能够使用光机械冷却技术，从而使量子态在基态占据的保真度达到令人印象深刻的 93%。此外，研究小组还实现了低于运动零点波动的机械挤压，其值为-2.7 dB。

"这种控制水平使我们能够观察到机械挤压态的自由演化，并在 2 毫秒的较长时间内保持其量子行为，这要归功于机械振荡器中仅为 0.09 Hz 的超低纯去相率，"参与研究的 Shingo Kono 说。

"这种超低量子退相干不仅提高了宏观机械系统量子控制和测量的保真度，而且同样有利于与超导量子比特的对接，并将系统置于适合量子引力测试的参数体系中，"研究团队的另一位成员马赫迪-切格尼扎德（Mahdi Chegnizadeh）说，"与超导量子比特相比，该平台的存储时间要长得多，因此是量子存储应用的理想候选者。"

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