历史最长寿命！宏观机械物体中实现了量子态

过去十年来，科学家们在机械系统中产生量子现象方面取得了巨大进步。十五年前看似不可能的事情如今已成为现实，因为研究人员成功地在宏观机械物体中产生了量子态。

8月10日，研究成果以“A squeezed mechanical oscillator with millisecond quantum decoherence”为题，发表在《自然·物理学》上。

——宏观机械振荡器相干时间的里程碑可能是基于光机械结构的量子技术开发，和量子力学基础测试的关键进展。

量子体系中的机械振荡器(Mechanical Oscillator)用途广泛。它们的高灵敏度和与不同频率的电磁场耦合的能力，使它们成为（未来）量子应用的宝贵构件，例如作为连接混合元件的传感器，或用于小力、小位移和小质量的精密测量。然而，这种光机械结构与环境耦合，因此面临退相干问题，这限制了它们的可用性。现在，Amir Youssefi和合作者在《自然-物理》（Nature Physics）杂志上报告说，他们实现了一种具有超低热化率的光机械电路，能够高保真地制备机械振荡器的接地和挤压态。

通过将这些机械振荡器与光子（被称为“光机械系统(optomechanical systems)”）耦合，科学家们已经能够将它们冷却到接近量子极限的最低能级，“挤压”它们以进一步降低其振动，并使它们相互缠结。这些进步为量子传感、量子计算中的紧凑存储、量子引力的基本测试，甚至暗物质的寻找带来了新的机遇。

为了让光机电系统在量子环境下高效运行，科学家们面临着两难的选择。一方面，机械振荡器必须与环境适当隔离，以尽量减少能量损失；另一方面，它们必须与其他物理系统（如电磁谐振器）良好耦合，以便对其进行控制。

要实现这一平衡，就必须最大限度地延长振荡器的量子态寿命，而这一寿命会受到环境热波动和振荡器频率不稳定性的影响——即该领域所称的“退相干”。从引力波探测器中使用的巨型反射镜到高真空中的微小被困粒子，这在各种系统中都是一个长期存在的挑战。与超导量子比特或离子阱等其他技术相比，当今的光机电系统仍然显示出较高的退相干率。

现在，洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg实验室的科学家们通过开发一种超导电路光机电平台解决了这一问题，该平台在显示超低量子退相干的同时，还能保持大的光机电耦合，从而实现高保真量子控制。

领导该项目的博士生 Amir Youssefi 说：“简单地说，我们展示了迄今为止在机械振荡器中实现的最长量子态寿命，它可以用作量子计算和通信系统中的量子存储元件。这是一项重大成就，对量子物理学、电气工程和机械工程领域的广大受众产生了影响。”

测量退相干和去相位(dephasing)率。光机电路中鼓头谐振器的机械模式处于接地（|0>）和挤压（|j>）状态，这里用机械模式的 X 和 P 正交相空间表示。从基态开始的热化可以获得热退相干率（Γth，左），而当系统初始化为挤压态时，则可以提取相位率（Γj，右）。

这项突破的关键要素是“真空间隙鼓头电容器（vacuum-gap drumhead capacitor）”，这是一种由悬浮在硅基底沟槽上的铝薄膜制成的振动元件。该电容器是振荡器的振动元件，同时也构成了一个谐振微波电路。这种结构可以将机械模式冷却到其量子基态、制备机械挤压态，并将两个机械振荡器纠缠在一起。

通过一种新颖的纳米制造技术，研究小组大大降低了鼓头谐振器的机械损耗，实现了前所未有的热退相干率：仅为20赫兹，相当于7.7毫秒的量子态寿命——这是机械振荡器中实现的最长寿命。与之前的光机械实验相比，机械态的寿命提高了 100 倍。

热致退相干的显著降低使研究人员能够使用光机械冷却技术，从而使量子态在基态占据的保真度达到令人印象深刻的 93%。此外，研究小组还实现了低于运动零点波动的机械挤压，其值为-2.7分贝。

超相干电路光学机械。

该团队的超导电路平台具有许多有趣的前景，因为它可以与微波量子比特集成到混合架构中。“这种超低量子退相干不仅提高了宏观机械系统量子控制和测量的保真度，而且同样有利于与超导量子比特的对接，并将系统置于适合量子引力测试的参数体系中。”研究团队的另一位成员Mahdi Chegnizadeh说：“与超导量子比特相比，该平台的存储时间要长得多，因此是量子存储应用的理想候选者。”

这是一个耐人寻味的视角。一方面，寿命长的机械模式可以作为存储量子信息的量子存储器。另一方面，与量子比特的耦合提供了一种非线性，可用于在机械模式中创建真正的非经典状态。此外，由于合作者观察到的相干时间较长，利用微波光机电路进行量子力学的基本测试也就指日可待了，例如隐形传态协议或贝尔测试。

虽然光机械量子应用需要与环境的低耦合，但另一个挑战依然存在：单光子和声子之间的耦合也需要很大。在电路光机械学中使用电感耦合而非电容耦合在这方面取得了进展，但这类电路仍会受到热退相干的影响。实现强光机械耦合与超低热致退相干相结合，将使光机械技术大胆地走向共振器从未涉足的领域。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02135-y

[2]https://phys.org/news/2023-08-quantum-mechanical-oscillator-technology.html

[3]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02138-9