西班牙光子科学研究所凝聚态物理学家Adrian Bachtold表示，“多年来，人们一直认为，使用机械系统制造量子比特是不可能的。”但近期一项研究打破了这一传统观念。11月14日，苏黎世联邦理工学院的Yiwen Chu课题组在《Science》期刊上发表题为“A mechanical qubit”（机械量子比特）的研究论文，Yu Yang、Igor Kladarić为论文共同第一作者，Igor Kladarić、Yiwen Chu教授为论文共同通讯作者。
尽管量子激发之间的强非线性相互作用是基于玻色子振荡器模式的量子技术的重要资源，但大多数电磁非线性和机械非线性都太弱，无法在单量子水平上观察到非线性效应。电磁谐振器通过将电磁谐振器耦合到其他强非线性量子系统（如原子和超导量子比特）来克服了这一限制。在本文中，研究人员演示了在固态机械系统中实现单声子非线性态。系统中的单声子非谐性超过超过退相干率6.8倍，能够将其用作机械量子比特并演示初始化、读取和单量子比特门。此外，还证明了它同时满足两个判据，使其可被用作机械量子比特：首先，虽然机械非线性是通过与电磁系统的相互作用继承的，但从性质上来讲，系统的激发仍然主要是声子。第二，模式的非谐性定义为|1⟩→|2⟩和|0⟩→|1⟩跃迁之间的能量差，其远大于退相干率，所以能够在没有|2⟩态的情况下，对量子比特态|0⟩和|1⟩执行相干量子操作。该方法为量子模拟、传感和信息处理提供了一个强大的量子声学平台。但是新的机械量子比特不太可能在短期内击败更成熟的竞争对手。它的保真度仅为60%，而量子比特的最佳保真度则超过99%。因此，“这是原理上的进步”，Adrian Bachtold说。
背景
理论上，一个微小的、随着机械运动而振动的小部件也可以是一个量子比特。在最小尺度上，振动是量子化的。然而，乍一看，机械振荡器并不适合制作量子比特。第一个障碍是让设备尽可能静止。由于量子不确定性，即使温度处于绝对零度，微小物体也永远不会静止。尽管如此，2010年，物理学家们还是设法将机械振荡器（一个以6千兆赫兹振动的微型跳水板）冷却到能量最低的基态。他们甚至通过一次给它一个声子提供能量，让这个小部件逐渐进入接下来的几个状态。但第二个挑战更迫在眉睫。机械振荡器具有“谐波”能态，像梯子上的横档一样均匀分布。这使得不可能隔离和控制其中两个来形成量子比特：将一个状态驱动到更高状态的刺激也会将那个更高状态驱动到下一个更高能态，依此类推。挑战“在于你是否可以让能级间隔足够不均匀，这样你就可以处理其中两个而不触及其他能级”，本文通讯作者Yiwen Chu说。从更加专业的角度来说，机械系统的运动模式通常被视为量子系统中的谐振子，而无相互作用量子被称为“声子”。这种模型是有效的，因为多数材料的内禀机械非线性非常弱，并且只在声子数较大的经典极限中起着显著作用。然而，玻色子模式中的单量子水平上的相干相互作用可以导致新的物理现象并在量子技术中产生重要应用，如非经典态的制备和量子门的实现。同样的弱内禀电磁非线性的材料已经在工程系统中被克服，在工程系统中，光子之间的相互作用是通过耦合到强非线性介质来调节的。在光学频率上，诸如光子阻塞和双光子束缚态等效应已经通过与原子的相互作用得到了证明。在微波情形下，超导谐振器中的非线性效应可以通过结合约瑟夫森结来设计，并用于编码复杂玻色子态中的量子信息。与电磁谐振器相比，机械谐振器具有较长的寿命，致密性，以及直接耦合的能力，从而感知额外的自由度，如引力。因此，在使用超导线路等辅助系统进行机械物体的量子控制方面已经有了广泛的进展。此外，在碳纳米管中诱导强非线性的方案已经在理论和实验上进行了探索。然而，迄今为止，单量子水平上的相干声子相互作用仍然难以捉摸，很大程度上源于机械模式工程具有一定的挑战性，即当纳入一个复杂混合器件并耦合到一个不相干的强非线性系统时，保持其高相干性。
理论方法
在量子信息科技领域，实现和操控单量子水平的非线性效应对于构建先进量子器件至关重要。本文中，研究团队提出了一种在固态机械系统中实现单声子非谐性的方法，并将其应用于构建机械量子比特。理论方法的核心在于理解和描述机械振子与电磁系统的相互作用，以及如何通过这种相互作用实现非线性效应。文章首先介绍了Jaynes-Cummings（JC）哈密顿量，这是一个描述单模辐射场与二能级系统相互作用的标准模型。其中，辐射场被替换成高次谐波体声波谐振器（high-overtone bulk acoustic wave resonator），而二能级系统则是一个超导transmon线路。通过调整transmon线路的非谐性，即能级之间的能量差，研究团队能够在机械谐振器中引入非线性。在色散极限下，即失谐度远大于耦合度时，JC模型可以被近似为一个包含Kerr非线性项的哈密顿量。这个非线性项描述了声子之间的有效相互作用，其强度由非谐性参数α量化。通过理论推导，得到了α的理论表达式，它依赖于transmon与声子之间的失谐度Δ和耦合度g。进一步，研究团队通过理论分析预测，在特定的失谐条件下，系统的激发将保持声子特性，而非谐性α将远大于系统的退相干率。这意味着可以在量子比特态|0⟩和|1⟩之间进行相干量子操作，而不会显著激发|2⟩态。这种条件下的系统表现出类似量子比特的行为，为实现机械量子比特提供了理论基础。
实验方案
实验方案的目标是验证理论模型，并展示在固态机械系统中实现单声子非谐性的可能性。实验的核心是一个线路量子声学动力学系统，由一个高次谐波体声波谐振器和一个超导transmon线路组成。研究团队通过精确控制这两个组件之间的耦合，实现了对机械振子非线性的调控。具体而言，在厚度为400微米的晶圆状蓝宝石晶体上，研究团队放置了一个微小的氮化铝圆顶，它会随着振荡电压而膨胀和收缩，从而向材料中发出振动。这些振动会在晶体表面之间反弹，并持续数亿次，然后消失。图：该设备由一块蓝宝石芯片组成，上面有一个超导量子比特（左侧灰色矩形），而另一块蓝宝石芯片充当机械振荡器（右侧灰色圆点）。
首先，研究团队通过谱测量来表征机械系统的非谐性。他们探测了不同频率下的声子模式，并使用共振相互作用声子数（RPN）测量来评估结果。通过改变与声子模式的耦合强度，观察到从线性谐振器到Duffing谐振器再到类似量子比特的转变。这一过程中，声子模式的峰宽随着失谐度的变化而变化，从而提供了非谐性参数α的实验数据。接下来，采用Ramsey型序列来测量非谐性关于失谐度的依赖性。这个序列包括状态生成、状态演化和干涉读取三个部分。通过精确控制失谐度Δ，进而在旋转框架下测量声子态|g2’⟩的相位累积。这种测量方法不仅验证了理论模型，还展示了非谐性的可调谐性。此外，研究团队还通过Wigner层析成像技术可视化了机械量子比特的状态。在不同的驱动时间下，观察到了从基态到激发态，再到更高Fock态的演化过程。这些实验结果与理论模拟紧密吻合，进一步证实了系统作为量子比特的行为。最后，为了展示对机械量子比特的完全控制，研究团队在Bloch球上初始化了系统，并测量了相应的Wigner函数。
图1：能级图和谱测量。
图2：具有拉姆齐型序列的声子非谐性测量。
图3：机械量子比特拉比振荡。
期刊编辑总结
控制和操纵机械系统的量子态为开发增强的传感应用提供了机会。Yang等人描述了机械谐振器中声子之间的强非线性相互作用所实现的机械量子比特的操作。通过将体声波谐振器耦合到超导量子比特，设计了一个参数状态，其中谐振器的机械模式继承了强的声子-声子相互作用所必需的超导量子比特的非线性特征。然后，他们在机械量子比特上演示了一整套单量子比特操作。机械量子态的较长寿命应该有助于将量子声学建立为增强量子技术的平台。——Ian S. Osborne
主要研究人员
Yiwen Chu，苏黎世联邦理工学院物理系教授。本科毕业于麻省理工学院；博士毕业于哈佛大学，师从Mikhail Lukin教授，研究氮空位色心的量子光学。为了尝试不同的量子系统，在耶鲁大学Rob Schoelkopf教授团队中担任博士后，研究线路量子电动力学。通过与耶鲁大学Peter Rakich教授团队合作，还将量子声学和光力学添加到它的研究范围中。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr2464https://www.science.org/content/article/first-mechanical-qubit-quantum-computing-goes-steampunkhttps://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2497https://solid.phys.ethz.ch/people/person-detail.yiwenchu.htmlhttps://hyqu.ethz.ch/people/group.html