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背景介紹

通常，機械系統的運動模式被視為量子態中的諧振子，與非相互作用的量子稱為聲子（phonons）。這種模型是有效的，因為大多數材料的固有力學非線性非常弱，并且僅在大聲子數的經典極限中起顯著作用。

然而，在玻色子模式下的單量子水平上的相干相互作用可以導致新的物理現象和量子技術中的重要應用。在工程系統中，光子之間的相互作用是通過耦合到強非線性介質來介導的，這種材料類似的弱本征電磁非線性已被克服。在光學頻率下，利用與原子的相互作用，已證明光子封鎖和雙光子束縛態等效應。在微波環境下，超導諧振器中的非線性效應可以通過結合約瑟夫森結來設計，并用于編碼復雜玻色子態的量子信息。對比電磁諧振器，機械諧振器的特點是壽命長、結構緊湊，能夠直接耦合并感知額外的自由度。

但是，目前單量子水平上的相干聲子相互作用仍然難以捉摸，主要是由于設計一種機械模式的挑戰，當將其納入復雜的混合器件并耦合到一個不太相干的強非線性系統時，該模式仍保持其高相干性。

成果簡介

基于此，蘇黎世聯邦理工學院Yiwen Chu和Igor Kladari?（共同通訊作者）等人報道了在固態機械系統中實現了單聲子非線性狀態。本系統中的單聲子非諧性超過退相干率6.8倍，允許將其用作機械量子位并演示初始化，讀出和單量子位門。本方法為量子模擬、傳感和信息處理提供了一個強大的量子聲學平臺。

相關工作以《A mechanical qubit》為題在《Science》上發表。

圖文解讀

圖1.能級圖和光譜測量

圖2.利用Ramsey型序列測量聲子非諧性

圖3.機械量子比特Rabi振蕩

圖4.機械量子比特態的Wigner函數

總結展望

本研究結果證明了機械系統和機械量子比特的操作具有很強的可調諧非調和性。通過增加系統的機電耦合強度或相干性，提高系統的非調和退相干比。此外，還可以通過脈沖形狀工程抑制計算基外的泄漏，從而提高機械量子比特的操作保真度和速率，有助于使用為兩級系統開發的量子傳感協議，例如設備中的原子和自旋系統，其巨大的質量使其特別適合于力傳感和基礎物理測試。

文獻信息

A mechanical qubit. Science, 2024,

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