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量子麦克风可检测声子的存在

03 Aug 2019
量子麦克风
艺术家对一系列旨在产生和捕获声子的纳米机械谐振器的印象(由姜文涛提供)

美国物理学家证明,超导量子位可用于同时可靠地检测多个声子的存在。斯坦福大学的Patricio Arrangoiz-Arriola及其同事使用最小化声子损耗,同时缩小量子比特发射光谱以减少不确定性的材料制造了他们的“量子麦克风”。该技术可能允许量子计算中的新功能,包括将位于不同位置的许多量子计算机链接在一起的调制解调器。

尽管光子的量子性质已得到广泛的探索和利用,但量化的机械振动(称为声子)仍难以研究。尽管声子对于解释固体材料的许多特性很重要,但是测量和控制它们的技术却面临着巨大的挑战,因为与光子相反,声子的量子态没有明确定义的能量。相反,它们以等距能量的集体激发形式存在。

迄今为止,检测声子的最成功尝试涉及一种称为量子声学的技术,其中将人造原子耦合到振动的纳米结构。该原子可以处于两个量子态之一,具体取决于它是否已吸收了声子。在研究中,Arrangoiz-Arriola的团队 设计了此设置的更复杂的版本 –用超导量子位取代原子,以便与纳米结构更牢固地耦合。当人造原子需要完全吸收一个声子时,这种耦合使量子位可以简单地在一个或多个声子的存在下改变状态。

为了进一步改进他们的量子麦克风,Arrangoiz-Arriola及其同事将量子比特与压电谐振器相结合,该压电谐振器会响应机械变形而产生大电压。当量子位改变状态时,这提高了量子位发射的能谱的峰值。用周期晶体屏蔽混合量子比特谐振器平台可确保只有纳米结构产生的声子才能与量子比特相互作用,同时还将声子对周围环境的损失降至最低。

然后,物理学家通过纳米结构的共振振动激发了声子,并探究了量子位所产生的跃迁谱的峰值位置-视存在的声子​​数量而不同地转变了。他们观察到能量位移大约是每个峰的线宽的五倍,揭示了高度确定性的存在多达三个声子。

在以后的研究中,Arrangoiz-Arriola的团队希望改进其设置以显示声子数而不改变它们,从而允许重复测量。进一步的发展可以使量子麦克风为量子调制解调器提供基础,从而可能在各种位置创建量子计算机网络,并且还可以为量子计算机本身的新颖架构提供设计依据。

完整结果报告在 性质

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