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    科學家首次實現對機械系統量子控制 為量子傳感器開辟新途徑

    發布時間:2018-11-27

        在過去的十年里,科學家們在建立和控制基于量子力學奇異規則的系統方面取得了巨大的進步。量子力學描述了亞原子尺度上粒子的行為。

     

      但是,一個挑戰是如何讓精密的量子系統更好地與機械系統——任何帶有運動部件的系統——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系統——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。

     

      “讓這兩種技術相互交流是所有量子應用的關鍵第一步,”首席研究作者安德魯·克萊蘭(Andrew Cleland)說。他是約翰·a·麥克林(John a . MacLean)的分子工程創新與企業教授,也是阿爾貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的資深科學家。

     

      “通過這種方法,我們實現了對機械系統的量子控制,其水平遠遠超出了以往的水平?!?/span>

     

      克萊蘭說,人們對集成量子和機械系統特別感興趣,以便制造出精確得令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賴于感知力和位移——也就是運動?!?/span>

     

      “這些傳感器在任何類型的應用程序中都扮演著重要的角色,在這些應用程序中,你試圖測量一些東西?!?/span>

     

      “而機械系統是最容易建立和最敏感的,所以長期以來人們都對將它們帶到量子極限很感興趣?!?/span>

     

      (例如,機械傳感器是探測重力波系統的核心——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產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。

     

      這種現象在手機、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系統,然后將它們連接在一起。這使得團隊可以優化每個組件,但仍然可以彼此通信。

     

      兩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,因為這給了他們一個在量子水平上實驗聲音的平臺。

     

      “這個特殊的結果為我們打開了一扇門,讓我們可以用聲音做很多已經能用光做的事情?!笨巳R蘭說。

     

      “聲音比光慢10萬倍,這就給了你更多的時間去做事?!?/span>

     

      “例如,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?!?/span>

     

      他說,關于聲波在量子領域的行為,還有許多根本沒有答案的問題,而這個系統可以為科學家提供一個平臺來解決這些問題。

     

      這項技術還能為量子“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,然后在室溫下進行遠距離通信。

     

      克萊蘭說,聲波裝置有可能成為這種被稱為量子中繼器的系統的基礎。

     

      耶魯大學的Robert Schoelkopf在同一版《自然》雜志上發表的另一項研究也報告了單聲子激發的產生。

     

      作者說,這兩項研究共同為存儲量子信息開辟了一條新途徑。

     

      這些器件是在IME的普利茲克納米制造設備(Pritzker Nanofabrication Facility)中制造的。


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