最新成果：碳納米管振動(dòng)與微波成功耦合，邁向納米量子交換機(jī)時(shí)代

雷根斯堡大學(xué)物理學(xué)家將一種大分子碳納米管的振動(dòng)，耦合到微波腔中，創(chuàng)造了一種新穎高度小型化的光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)。安德烈亞斯·K·胡特爾博士團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用電荷的量子化，即電荷由單電子攜帶，作為一種強(qiáng)大的放大機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然通訊》期刊上。它們代表了將完全不同的量子技術(shù)結(jié)合在一個(gè)設(shè)備中的重要一步（例如電子自旋量子比特和超導(dǎo)量子比特）。

正常情況下，將碳納米管等大分子的振動(dòng)與微波耦合是很困難的。為什么？因?yàn)樵诹孔佑?jì)算或腔量子電動(dòng)力學(xué)設(shè)備中使用的電磁波長(zhǎng)，工作在GHz頻率，在毫米范圍內(nèi)。一個(gè)典型的納米管裝置，既可用于捕獲已知量子態(tài)的電子，也可用作振動(dòng)諧振器，長(zhǎng)度不到一微米，振動(dòng)幅度低于一納米。由于尺寸的不匹配，納米管的運(yùn)動(dòng)，并不會(huì)對(duì)微波腔的電磁場(chǎng)產(chǎn)生太大影響，用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)力學(xué)理論預(yù)測(cè)耦合是最小的。

盡管如此，實(shí)現(xiàn)這樣的耦合并控制它，而不會(huì)將納米管驅(qū)動(dòng)到很大的振動(dòng)幅度，從許多方面來(lái)說(shuō)都是一個(gè)有吸引力的想法。納米管是一種優(yōu)秀的弦諧振器，可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存能量；它的振動(dòng)可以用來(lái)在根本不同的自由度之間轉(zhuǎn)換量子信息。單阱電子和超導(dǎo)微波電路都是量子計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的熱門候選者。研究表明，與簡(jiǎn)單的幾何預(yù)測(cè)相比，振動(dòng)和電磁場(chǎng)這兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互作用，可以放大到原來(lái)的10000倍。

這是通過(guò)使用所謂的量子電容來(lái)實(shí)現(xiàn)：電流由離散的電子攜帶，這意味著給非常小的電容器(如納米管)充電不是連續(xù)發(fā)生的，而是分步驟進(jìn)行。通過(guò)在階躍曲線上選擇工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了光機(jī)耦合的可控性，并可快速通斷。目前正在芬蘭阿爾托大學(xué)從事研究的胡特爾博士說(shuō)：我們實(shí)施了一種所謂色散耦合光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)，一方面，由于機(jī)械部分的微型化和單電子效應(yīng)，該系統(tǒng)新穎而令人興奮。

另一方面，由于存在大量關(guān)于較大(最大到宏觀尺度)的光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)研究，這一點(diǎn)是眾所周知的。光機(jī)相互作用可以用來(lái)冷卻振動(dòng)，以高靈敏度的方式檢測(cè)振動(dòng)，放大信號(hào)，甚至可以任意制備量子態(tài)。研究結(jié)果表明，在不久的將來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)弦狀納米管振動(dòng)的量子控制。這使得它作為一種量子交換機(jī)非常有吸引力，結(jié)合了非常不同的量子現(xiàn)象。

博科園｜研究/來(lái)自：雷根斯堡大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

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