纳米技术现在 - 新闻稿：新硬件将机械设备集成到量子技术

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完全包装设备的倾斜视图照片。顶部（机械）芯片通过粘合剂聚合物固定在底部（Qubit）芯片上。信用Agnetta Cleland

抽象的：
斯坦福大学的研究人员为未来的基于量子物理的技术开发了一个关键的实验设备，该技术从当前的日常机械设备中借用了一页。

新硬件将机械设备集成到量子技术

加利福尼亚州斯坦福大学|发表于2022年4月22日

可靠，紧凑，耐用且高效的声学设备可容纳机械运动，以执行有用的任务。这种设备的一个主要示例是机械振荡器。当被力像声音一样流离失所时，例如，设备的组件开始反复移动其原始位置。创建这种定期运动是一种方便的方式，可以保持时间，过滤器信号和无处不在的电子设备，包括电话，计算机和手表。

研究人员试图将机械系统的好处带入神秘量子领域极为小的规模，在这些量子领域中，原子微妙地相互作用和以违反直觉的方式进行。为此，由Amir Safavi-Naeini领导的斯坦福大学的研究人员通过将微小的纳米力学振荡器与可以以值或量子“量子”信息形式存储和处理能量的类型来证明新功能。研究人员使用设备的Qubit可以操纵机械振荡器的量子状态，从而产生各种量子机械效应，这些量子可能有一天会赋予高级计算和超屈服传感系统。

``在这个设备上，我们展示了一个重要的下一步，试图构建基于机械系统的量子计算机和其他有用的量子设备，”斯坦福大学应用物理学系副教授Safavi-Naeini说。人文和科学。Safavi-Naeini是4月20日发表在《自然》杂志上的一项新研究的一项新研究的高级作者，描述了这些发现。他说：``我们本质上希望建立“机械量子机械系统”。

召集量子对计算机芯片的影响
这项研究的共同作者是斯坦福大学的两位博士候选人亚历克斯·沃拉克（Alex Wollack）和阿格内塔·克莱兰德（Agnetta Cleland），他率先开发了这种新的基于机械的量子硬件的努力。研究人员在校园里使用斯坦福Nano共享设施，在洁净室里工作，并在半导体制造厂穿着的身体覆盖的白色“邦尼套装”，以防止杂质在发挥作用中污染敏感材料。

韦拉克（Wollack）和克莱兰（Cleland）在纳米尺度的分辨率上制造了沃拉克（Wollack）和克莱尔兰（Cleland）在两个硅计算机芯片上制造的硬件组件。然后，研究人员将两个芯片粘合在一起，以便底部芯片上的组件面对上半部分的夹层。

在底部的芯片上，沃拉克（Wollack）和克莱兰德（Cleland）塑造了形成设备量子的铝制超导电路。将微波脉冲发送到该电路中会vwin徳赢官网生成光子（光的颗粒），该光子在设备中编码了一定的信息。与代表0或1的电压存储为代表0或1的电压的常规电气设备不同，量子机械设备中的Qubits也可以同时表示0和1的加权组合。这是因为被称为叠加的量子机械现象，其中量子系统立即存在于多个量子状态下，直到测量系统。

Safavi-naeini说：``现实在量子机械层面上的工作方式与我们的宏观经验大不相同。''Safavi-Naeini说。

顶部芯片包含两个纳米力学的谐振器，这些谐振器由悬挂的桥梁状晶体结构形成，仅几十纳米或十亿分之一的长度。晶体由一种压电材料硝酸锂制成。具有该特性的材料可以将电力转换为运动，在此设备的情况下，这意味着量子光子传达的电场被转换为称为声子的量子（或单个单元）的量子（或单个单元）。

克莱兰德说：``就像光波一样，将声vwin徳赢官网波量化为光子，将声波量化为称为phon子的粒子，”克莱兰德说。两者兼而有之

这些声子的产生使每个纳米力学振荡器都像寄存器一样起作用，这是计算机中最小的数据删除元素，并且量子量符号提供数据。像Qubit一样，振荡器也可以相应地处于叠加状态 - 它们既可以兴奋（代表1），也可以同时激发（代表0）。超导电路使研究人员能够准备，读取和修改存储在寄存器中的数据，从概念上讲，类似于传统（非量词）计算机的工作方式。

Safavi-naeini说：``做梦是制造一种与硅电脑芯片相同的方式，例如，在手机或拇指驱动器中，在这里存储零件。''Safavi-Naeini说。``虽然我们可以将量子位存储在拇指驱动器上，但我们与机械谐振器一起显示了同样的东西。''

利用纠缠
除了叠加之外，设备中光子和谐振器之间的连接进一步利用了另一种称为纠缠的量子机械现象。使纠缠状态如此违反直觉，并且在实验室中也很难创建的原因是，有关系统状态的信息是分布在许多组件上的。在这些系统中，可以一起了解有关两个粒子的所有内容，但对一个单独观察到的一个粒子一无所知。想象一下两枚在两个不同的地方翻转的硬币，并且观察到它们以同样的概率随机降落为头部或尾巴，但是当比较不同位置的测量值时，它们总是相关的；也就是说，如果一个硬币像尾巴一样着陆，则保证另一个硬币会降落为头部。

在叠加和纠缠中的多个量子位的操纵是基于量子的量子技术中的一两次打孔器计算和感测。Safavi-naeini说：“没有叠加和很多纠缠，您可以构建一台量子计算机。”

为了在实验中证明这些量子效应，斯坦福大学的研究人员产生了一个单个量子，将其作为光子存储在底部芯片上的电路中。然后，在将剩余的信息传输到第二个机械设备之前，允许电路与顶部芯片上的机械振荡器之一交换。通过以这种方式交换能量 - 首先与一个机械振荡器交换，然后使用第二个振荡器交换 - 研究人员将电路用作工具，以机械地将两个机械谐振器互相纠缠在一起。

沃拉克说：``量子力学的奇异性在这里充分展示。''沃拉克说。``不仅可以发出离散的单元，而且可以在两个纠缠的宏观物体之间共享一个声音粒子，每个声音都有数万亿个原子移动的原子。

为了最终执行实际计算，持续的纠缠或连贯性的时期将需要显着更长的时间 - 在秒的顺序上，而不是到目前为止达到的秒数。叠加和纠缠既是高度细腻的条件，甚至容易受到热或其他能量形式的轻微干扰，因此，赋予了提出的量子传感设备，具有精致的灵敏度。但是Safavi-Naeini和他的合着者认为，可以通过磨练制造过程并优化所涉及的材料来容易实现更长的连贯时间。

Safavi-naeini说：“我们在过去四年中每年将系统的性能提高了近10次。”``向前移动，我们将继续采取具体的步骤，以设计量子机械设备，例如计算机和传感器，并将机械系统的好处带入量子域。

该论文的其他合着者包括雷切尔·格伦克（Rachel G.

这项研究由大卫和露西尔·帕卡德（David and Lucile Packard），斯坦福大学毕业生和斯隆奖学金资助。这项工作由美国海军研究办公室，美国能源部，国家科学基金会，陆军研究办公室和NTT Research资助。