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研究人員試圖將機(jī)械系統(tǒng)的好處帶入神秘的量子領(lǐng)域的極小尺度，在那里，原子以反直覺的方式進(jìn)行微妙的互動和行為。為此，阿米爾-薩法維-納伊尼領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)研究人員通過將微小的納米機(jī)械振蕩器與一種能夠以量子比特或量子信息"比特"的形式存儲和處理能量的電路耦合，展示了新的能力。利用該設(shè)備的量子比特，研究人員可以操縱機(jī)械振蕩器的量子狀態(tài)，產(chǎn)生各種量子力學(xué)效應(yīng)，這些效應(yīng)有朝一日可以賦予先進(jìn)的計(jì)算和超精確的傳感系統(tǒng)。
斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院應(yīng)用物理系副教授薩法維·納伊尼說："通過這個(gè)裝置，我們展示了在嘗試建立量子計(jì)算機(jī)和其他基于機(jī)械系統(tǒng)的有用量子裝置方面的重要下一步。"Safavi-Naeini是2022年4月20日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究的高級作者，他說："我們本質(zhì)上是在尋找建立'機(jī)械量子力學(xué)'系統(tǒng)。
在計(jì)算機(jī)芯片上激發(fā)量子效應(yīng)
該研究的聯(lián)合第一作者亞歷克斯·沃拉克和阿涅塔·克利蘭都是斯坦福大學(xué)的博士生，他們牽頭并正努力開發(fā)這種基于機(jī)械的新量子硬件。利用斯坦福大學(xué)校園內(nèi)的納米共享設(shè)施，研究人員在潔凈室中工作，利用專門的設(shè)備，沃勒克和克利蘭在兩個(gè)硅計(jì)算機(jī)芯片上以納米級的分辨率制造硬件組件。然后，研究人員將這兩塊芯片粘在一起，使底層芯片上的元件面對上層芯片上的元件，呈三明治形態(tài)。
貝爾狀態(tài)的概念圖，其中一個(gè)單位的振動能量在兩個(gè)振蕩器之間共享。該系統(tǒng)同時(shí)存在兩種可能的狀態(tài)：第一種可能的量子狀態(tài)(括號內(nèi)，加號左側(cè))顯示右側(cè)振蕩器在振動，左側(cè)振蕩器靜止。第二種可能狀態(tài)顯示振動能量占據(jù)左手振蕩器，而右手振蕩器靜止。該裝置存在于兩種可能狀態(tài)的疊加中--意味著每個(gè)振蕩器同時(shí)既運(yùn)動又不運(yùn)動--直到它被測量。對該系統(tǒng)的測量將只產(chǎn)生兩個(gè)描述的(括號內(nèi))結(jié)果中的一個(gè)。如果觀察到左邊的振蕩器在振動，那么右邊的振蕩器必然是靜止的，反之亦然。這說明了兩個(gè)振蕩器之間的糾纏關(guān)系。通過進(jìn)行測量以了解有關(guān)一個(gè)振蕩器運(yùn)動的信息，觀察者也將確定另一個(gè)振蕩器的狀態(tài)，而不需要單獨(dú)測量。
在底部的芯片上，沃拉克和克萊蘭制作了一個(gè)鋁制超導(dǎo)電路，形成了該設(shè)備的量子比特。向該電路發(fā)送微波脈沖會產(chǎn)生光子(光的粒子)，從而在設(shè)備中編碼一個(gè)信息量子比特。與傳統(tǒng)的電氣設(shè)備不同，傳統(tǒng)的電氣設(shè)備將比特存儲為代表0或1的電壓，而量子力學(xué)設(shè)備中的量子比特也可以同時(shí)代表0和1的加權(quán)組合。這是因?yàn)楸环Q為疊加的量子力學(xué)現(xiàn)象，即一個(gè)量子系統(tǒng)同時(shí)存在于多個(gè)量子狀態(tài)，直到該系統(tǒng)被測量。
頂部的芯片包含兩個(gè)納米機(jī)械諧振器，由懸浮的、類似橋梁的晶體結(jié)構(gòu)形成，長度只有幾十納米--或十億分之一米--。這些晶體由鈮酸鋰制成，是一種壓電材料。具有這種特性的材料可以將電力量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動，在這個(gè)裝置的情況下，這意味著由qubit光子傳達(dá)的電場被轉(zhuǎn)化為稱為聲子的振動能量的量子(或單一單位)。
"就像光波被量化為光子一樣，聲波被量化為稱為聲子的'粒子'，克利蘭說，"通過在我們的設(shè)備中結(jié)合這些不同形式的能量，我們創(chuàng)造了一種混合量子技術(shù)，同時(shí)利用了兩者的優(yōu)勢。"
這些聲子的產(chǎn)生允許每個(gè)納米機(jī)械振蕩器像一個(gè)寄存器一樣行事，這是計(jì)算機(jī)中最小的可能的數(shù)據(jù)保存元件，并由量子比特提供數(shù)據(jù)。與量子位一樣，振蕩器相應(yīng)地也可以處于疊加狀態(tài)--它們可以同時(shí)處于激發(fā)(代表1)和非激發(fā)(代表0)狀態(tài)。超導(dǎo)電路使研究人員能夠準(zhǔn)備、讀出和修改存儲在寄存器中的數(shù)據(jù)，概念上類似于傳統(tǒng)(非量子)計(jì)算機(jī)的工作方式。
利用糾纏
除了疊加，該設(shè)備中的光子和諧振器之間的聯(lián)系進(jìn)一步利用了另一個(gè)重要的量子力學(xué)現(xiàn)象，即糾纏。糾纏狀態(tài)之所以如此反常，而且在實(shí)驗(yàn)室中也是出了名的難以創(chuàng)造，是因?yàn)殛P(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的信息分布在一些部件上。在這些系統(tǒng)中，有可能同時(shí)知道兩個(gè)粒子的一切，但對其中一個(gè)單獨(dú)觀察的粒子卻一無所知。想象一下，兩枚硬幣在兩個(gè)不同的地方被翻轉(zhuǎn)，并被觀察到以相同的概率隨機(jī)落地為頭或尾，但當(dāng)不同地方的測量結(jié)果被比較時(shí)，它們總是相關(guān)的；也就是說，如果一個(gè)硬幣落地為尾，另一個(gè)硬幣就保證落地為頭。
操縱多個(gè)量子比特，所有這些都處于疊加和糾纏狀態(tài)，是為計(jì)算和傳感提供動力的重要步驟，這也是備受追捧的基于量子的核心技術(shù)。"薩法維·納伊尼說："如果沒有疊加和大量的糾纏，你就無法建立一個(gè)量子計(jì)算機(jī)。"
為了在實(shí)驗(yàn)中展示這些量子效應(yīng)，斯坦福大學(xué)的研究人員產(chǎn)生了一個(gè)單一的量子比特，作為一個(gè)光子存儲在底部芯片的電路中。然后讓該電路與頂部芯片上的一個(gè)機(jī)械振蕩器交換能量，再將剩余的信息轉(zhuǎn)移到第二個(gè)機(jī)械裝置上。通過以這種方式交換能量--首先與一個(gè)機(jī)械振蕩器交換，然后與第二個(gè)振蕩器交換--研究人員將該電路作為工具，以量子力學(xué)方式將兩個(gè)機(jī)械諧振器相互糾纏在一起。
沃拉克說："量子力學(xué)的怪異性在這里得到了充分展示。"不僅聲音是以離散的單位出現(xiàn)的，而且一個(gè)聲音粒子可以在兩個(gè)糾纏的宏觀物體之間共享，每個(gè)物體都有數(shù)萬億的原子在協(xié)同運(yùn)動--或不運(yùn)動。"
為了最終進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，持續(xù)糾纏或相干的時(shí)間將需要大大延長--在幾秒鐘的數(shù)量級上，而不是迄今為止實(shí)現(xiàn)的零點(diǎn)幾秒。疊加和糾纏都是非常微妙的條件，甚至容易受到熱或其他能量形式的輕微干擾，并相應(yīng)地賦予擬議的量子傳感設(shè)備以精致的靈敏度。研究者認(rèn)為，通過磨練制造工藝和優(yōu)化相關(guān)材料，更長的相干時(shí)間是可以輕易實(shí)現(xiàn)的。
"在過去的四年里，我們的系統(tǒng)性能每年提高了近10倍，"薩法維·納伊尼說。"今后，我們將繼續(xù)朝著設(shè)計(jì)量子機(jī)械設(shè)備的方向邁出具體步驟，如計(jì)算機(jī)和傳感器，并將機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)帶入量子領(lǐng)域。"
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