科学家制造首个机械量子比特

Dr. Uwe von Lüpke

从理论上讲，能够找到常规计算机永远无法解决的问题的答案的量子计算机，依赖于被称为量子比特（qubits）的组件。现在，科学家们已经创造出了首个机械量子比特（https://public.websites.umich.edu/~nori/Sci-am-mechanical-qubits.pdf）——基本上，这是一种微观版的鼓皮，其行为有点像薛定谔的猫，会同时处于振动和不振动的状态。研究人员表示，这些（成果）可能催生出能够运行长时间、复杂程序的机械量子计算机，以及新型量子传感器。

目前，大多数量子比特依赖于电子态的叠加——例如，两种不同级别的电荷。然而，电磁量子比特在其复杂、脆弱的量子态衰减之前，通常寿命（或者说相干时间）较短。这极大地限制了它们的使用。

为寻求更长的相干时间，研究人员开始探索制造机械量子比特。这些量子比特将依赖于振动态的叠加，并且从理论上讲，与电磁量子比特相比，它们可能具有较长的相干时间。

如今，苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的科学家们首次构建出了“一个完全可操作的机械量子比特”，Yu Yang说道。Yu Yang是Yiwen Chu实验室的一名博士生，也是完成这一壮举的团队成员之一。Yang和他的同事们在11月15日出版的《科学》杂志上详细阐述了他们的研究成果（https://doi.org/10.1126/science.adr2464）。

谐波与混合量子比特

阻碍制造机械量子比特的主要挑战之一是其能态的一种特性。一个电磁量子比特呈现“非谐性”。也就是说，其电子态之间的能量数量不均衡，而正是这些态的独特性质使其可用作量子比特。相比之下，在量子计算所特有的极小能量下运行的机械谐振器呈现谐性：其振动态之间的能量水平是均匀间隔的，因此仅用它们来制造量子比特基本上是不可能的。

早些时候，科学家们想出了一个潜在的解决办法。如果将一个机械谐振器与一个非谐性组件（如电磁量子比特）耦合，那么所得到的混合体将表现出非谐性。“拥有一个能像量子比特那样运行的机械系统是非常令人兴奋的，”Fabio Pistolesi说道，他是法国国家科学研究中心（CNRS）以及法国波尔多大学的一名研究主任。原则上，“如果将寿命最长的机械振荡器与最佳量子比特耦合，就可以制造出一个相干时间比最佳量子比特更长的机械量子比特。”

然而，所得到的混合装置的相干时间取决于电磁量子比特的相干时间。2021年，Pistolesi及其同事进行了一项研究，试图利用碳纳米管作为机械谐振器、量子点作为电磁量子比特来制造一个机械量子比特，但量子点的相干时间太短，导致混合装置无法发挥机械量子比特的功能。

在近日报道的这项最新研究中，Yang 及其同事使用蓝宝石板上的一个压电圆盘作为机械谐振器，并将其连接到单独一块蓝宝石芯片上的超导量子比特（作为非谐性组件）。Yang解释说，通过采用新的制造技术提高超导量子比特和机械部件的相干时间，新装置实现了机械量子比特所需的高相干性。他表示，重要的是，新装置的机械和超导部件以非常相似的频率运行，这有助于其非谐性表现持续更长时间。

新的机械量子比特的相干时间取决于其超导部件的相干时间，但并不受其限制。“在我们的系统中，与超导量子比特相比，机械量子比特实际上有着长得多的寿命，”Yang说道。他指出，他们的混合装置的退相干率可以被认为是介于其机械振动和超导量子比特的退相干率之间，但更偏向于机械振动的退相干率。

超导量子比特相干时间的当前纪录约为1毫秒，但这并非典型结果。Yang说，通常，超导量子比特的相干时间约为100微秒。相比之下，这个机械量子比特原型实现了约200微秒的相干时间。

Pistolesi说：“即使这个机械量子比特还未达到现有最先进量子比特的水平，但它已经拥有可观的相干时间，而且他们能够展示如何在单量子比特操作中对其进行完全操控。”

Yang说，他和他的同事们相信，通过采用不同的设计和材料，他们能够显著提高其装置的相干时间。研究人员现在的目标是利用机械量子比特来执行量子门操作——这是传统计算机用于进行计算的逻辑门在量子计算中的版本。这些机械量子比特或许还能用于制造比传统设备精确得多的量子传感器。

“到目前为止，大多数用作传感器的量子比特类型系统一直是用于感知电磁力或恒定引力场的（https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors），”Yang说。“我们的系统能让我们测量由例如引力波引起的千兆赫兹频率的机械力。据我们所知，这方面还没有真正可用于比较的基础，所以我们正在通过一些其他正在进行的实验积极研究这个问题。”