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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

發布時間: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。量子力学形貌了亚原子尺度上粒子的行为。

 

  但是,一個挑戰是怎樣讓精密的量子體系更好地與機械體系——任何帶有運動部件的體系——合作,這是許多現有技術的基礎。

 

  第一次,芝加哥大學分子工程研究所和阿貢國家實驗室的科學家們建立了一個機械體系——一個用于聲波的小“回音室”——通過連接到量子電路,可以在量子水平上進行控制。

 

  11月21日發表在《自然》(Nature)雜志上的這一突破可能將量子技術的觸角延伸到新的量子傳感器、通信和存儲領域。

 

  “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。

 

  “通過這類方法,我們實現了對機械體系的量子控制,其水平遠遠超出了以往的水平。”

 

  克萊蘭說,人們對集成量子和機械體系特別感愛好,以便制造出精確得使人難以置信的量子傳感器,能夠探測到最微小的振動或與單個原子相互作用。

 

  他說:“許多探測物體的技術依靠于感知力和位移——也就是運動。”

 

  “這些傳感器在任何范例的應用程序中都扮演偏重要的角色,在這些應用程序中,你試圖測量一些東西。”

 

  “而機械體系是最容易建立和最敏感的,以是長期以來人們都對將它們帶到量子極限很感愛好。”

 

  (比方,機械傳感器是探測重力波體系的核心——重力波是時空結構中的漣漪,它使我們能夠“看到”黑洞在宇宙中碰撞。)

 

  克萊蘭的研究部分集中在量子電路上,他想把這些電路中的一個連接到一個産生表面聲波的裝置上。表面聲波是沿著一塊固體材料表面流動的微小聲波,就像蕩漾在池塘表面的漣漪。

 

  這類征象在手機、車庫開門器和收音機等日常設備中起著關鍵作用。

 

  一個關鍵的突破是在不同的材料上分別建立兩個體系,然後將它們連接在一起。這使得團隊可以優化每個組件,但仍舊可以彼此通信。

 

  二者都必須保持非常非常冷——僅僅比絕對零度高出萬分之一度。

 

  科學家們很興奮,因爲這給了他們一個在量子水平上實驗聲音的平台。

 

  “這個特殊的結果爲我們打開了一扇門,讓我們可以用聲音做很多已經能用光做的事情。”克萊蘭說。

 

  “聲音比光慢10萬倍,這就給了你更多的時間去做事。”

 

  “比方,如果你將量子信息存儲在內存中,它在聲音中存儲的時間要比在光中存儲的時間長得多。”

 

  他說,關于聲波在量子領域的行爲,還有許多根本沒有答案的問題,而這個體系可以爲科學家提供一個平台來解決這些問題。

 

  這項技術還能爲量子“轉換器”指明方向,使量子通信可以跨越任何距離。

 

  克萊蘭團隊研究的電子原子只能在極低的溫度下工作和交流;量子聲學可以使這些電路將量子信息轉換成光學信號,然後在室溫下進行遠距離通信。

 

  克萊蘭說,聲波裝置有可能成爲這類被稱爲量子中繼器的體系的基礎。

 

  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。

 

  作者說,這兩項研究共同爲存儲量子信息開辟了一條新門路。

 

  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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