  在最新的实验工作中，确定了一个如何在不破坏量子态的情况下测量机械量子系统的量子特性。 在单个量子水平上控制机械运动的系统正在成为一个有前途的量子技术平台。新的实验工作展示了如何在不破坏量子态的情况下测量这种系统的量子特性，这是充分挖掘机械量子系统潜力的一个关键因素。 当想到量子力学系统时，人们可能会想到单光子和隔离良好的离子和原子，或者电子在晶体中传播。在量子力学的背景下，更奇特的是真正的机械量子系统，也就是说，大质量物体的机械运动，如振动是量化的。 在一系列开创性的实验中，机械系统的基本量子力学特征已经被观察到，包括能量量化和纠缠。然而，为了将这些系统用于基础研究和技术应用，观察量子特性仅仅是第一步。下一步是掌握机械量子物体的处理方法，使其量子状态可以被控制、测量，并最终在类似设备的结构中得到利用。 苏黎世联邦理工学院固体物理实验室Yiwen Chu小组现在已经在这个方向取得了重大进展。他们在《Nature Physics》杂志上发表论文，报告了从机械量子系统中提取信息而不破坏珍贵的量子态。这一进展为量子纠错等应用铺平了道路。 01. 大规模量子力学 苏黎世联邦理工学院的物理学家们采用了一块厚度略低于半毫米的高质量蓝宝石作为他们的机械系统。在它的顶部有一个薄薄的压电换能器，可以激发声波，这些声波在底部被反射，从而在板块内延伸出一个明确的体积。这些激发是大量原子的集体运动，但它们是量子化的（以被称为声子（Phonon）的能量单位），并且至少在原则上可以受到量子操作的影响，其方式与原子、光子和电子的量子状态非常相似。 耐人寻味的是，有可能将机械谐振器与其他量子系统，特别是与超导量子比特连接。后者是微小的电子电路，其中的电磁能量状态是量化的，它们目前是构建可扩展量子计算机的主要平台之一。与超导电路相关的电磁场使量子比特能够与声学共振器的压电换能器耦合，从而与它的机械量子态耦合。
在这种混合量子比特谐振器设备中，可以结合两个世界的优点。具体来说，超导量子比特的高度发达的计算能力可以与声学模式的鲁棒性和长寿命同步使用，后者可以作为量子存储器或传感器。 然而，对于这样的应用，仅仅耦合量子比特和谐振器的状态是不够的。例如，对谐振器中的量子状态的直接测量会破坏它，使重复测量变得不可能。相反，需要的是能够以更温和、更可控的方式提取有关机械量子态的信息。 02. 非破坏性的路径 Chu 的博士生 Uwe von Lüpke、Yu Yang 和 Marius Bild 与 Branco Weiss 的同事 Matteo Fadel 合作，并在学期项目学生 Laurent Michaud 的支持下，展示了这种所谓的量子非破坏测量的协议，现在已经实现了。在他们的实验中，测量期间超导量子比特和声谐振器之间没有直接的能量交换。相反，量子比特的特性取决于声谐振器中的声子数量，无需直接“接触”机械量子态。 创建一个混合系统，其中谐振器的状态反映在量子比特的频谱中，这是极具挑战性的。对于量子态在量子比特和谐振器中可以维持多长时间，在它们由于外部的缺陷和扰动而消失之前，存在严格的要求。 因此，该团队的任务是延长量子比特和谐振器量子态的寿命。他们通过一系列改进取得了成功，包括仔细选择所使用的超导量子比特类型，并将混合器件封装在超导铝腔中以确保紧密的电磁屏蔽。
图｜从上方观察的声谐振器（两个较大的圆盘，其内部是压电换能器）和连接到超导量子比特（白色结构）的天线的光学显微镜图像 03. 需了解的量子信息 在成功地将他们的系统推入所需的运行状态（称为“强色散状态”）后，该团队能够在以不同幅度激发声谐振器后轻轻提取声子数分布。此外，他们展示了一种在一次测量中确定谐振器中声子数量是偶数还是奇数的方法，即所谓的奇偶性测量，而无需了解有关声子分布的任何其他信息。 在许多量子技术应用中，获得如此非常具体的信息，而不是其他信息，是至关重要的。例如，奇偶校验的变化（从奇数到偶数的转变，反之亦然) 可以表示错误已影响量子态并且需要进行更正。当然，这里重要的是待校正状态不被破坏。 然而，在实施这种纠错方案之前，有必要进一步完善混合系统，特别是要提高操作的保真度。但是，到目前为止，量子纠错还不是地平线上的唯一用途。在科学文献中，有大量令人兴奋的理论建议，用于量子信息协议以及基础研究，这些建议得益于声学量子态驻留在大质量物体中的事实。例如，这为探索大型系统极限下的量子力学范围和利用机械量子系统作为传感器提供了独特的机会。 引用： [1]https:///10.1038/s41567-022-01591-2  |
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