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量子電路實(shí)驗(yàn)中使用的聲波器件的陣列。明亮的紫色部分是設(shè)備的活動部分。圖片來源：凱文·薩辛格（Kevin J. Satzinger）

在過去的十年中，科學(xué)家們在基于奇異的量子力學(xué)規(guī)則構(gòu)建和控制系統(tǒng)的能力方面取得了巨大飛躍，該規(guī)則描述了亞原子級粒子的行為。

但是，挑戰(zhàn)在于如何使精密的量子系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)（任何帶有運(yùn)動部件的系統(tǒng)）完美協(xié)作，而這是許多現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)。

首先，芝加哥大學(xué)分子工程研究所和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們建立了一個機(jī)械系統(tǒng)-一個用于聲波的微小“回聲室” -通過將其連接到量子，可以在量子水平上對其進(jìn)行控制電路。該突破將于11月21日發(fā)表在《自然》雜志上，這一突破可能會將量子技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到新的量子傳感器，通信和存儲領(lǐng)域。

主要研究作者安德魯·克萊蘭德（Andrew Cleland），分子工程創(chuàng)新與企業(yè)高級教授約翰·A·麥克萊恩（John A. MacLean Sr）和阿貢大學(xué)的高級科學(xué)家說：“使這兩種技術(shù)相互交流是所有量子應(yīng)用的關(guān)鍵的第一步�！眹�家實(shí)驗(yàn)室�！巴ㄟ^這種方法，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械系統(tǒng)的量子控制，其水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以前�！�

克萊蘭德說，尤其是，人們對集成量子和機(jī)械系統(tǒng)非常感興趣，以便制造出極其精確的量子傳感器，以檢測微小的振動或與單個原子相互作用。

他說：“許多檢測物體的技術(shù)都依賴于感應(yīng)力和位移，即運(yùn)動�！� “這些傳感器在您要測量某物的任何類型的應(yīng)用中都起著根本性的作用。而機(jī)械系統(tǒng)最容易構(gòu)建且最靈敏，因此人們一直對將其達(dá)到量子極限感興趣。” （例如，機(jī)械傳感器位于檢測重力波的系統(tǒng)的核心，即時(shí)空結(jié)構(gòu)中的波動，使我們可以“看到”黑洞在整個宇宙中碰撞。）

Cleland的研究部分集中在量子電路上，他想將這些電路中的一個連接到產(chǎn)生表面聲波的設(shè)備上，該表面聲波是沿著固體材料塊的表面?zhèn)鞑サ奈⑿÷暡�，例如在整個表面上移動的波紋池塘 這種現(xiàn)象在手機(jī)，車庫門開啟器和無線電接收器等日常設(shè)備中起著關(guān)鍵作用。

一個關(guān)鍵的突破是在不同種類的材料上分別構(gòu)建兩個系統(tǒng)，然后將它們連接在一起。這樣一來，團(tuán)隊(duì)就可以優(yōu)化每個組件，并且仍然可以相互交流。兩者都必須保持非常非常冷-僅比絕對零高十分之一度。

科學(xué)家很興奮，因?yàn)檫@為他們提供了一個在量子水平上進(jìn)行聲音實(shí)驗(yàn)的平臺。

克萊蘭德說：“這種特殊的結(jié)果打開了大門，使人們能夠用光已經(jīng)可以完成很多事情，” “聲音的移動速度比光慢100,000倍，這使您有更多的時(shí)間去做事情。例如，如果將量子信息存儲在內(nèi)存中，則它在聲音中的存儲時(shí)間比在光中的存儲時(shí)間要長得多。”

他說，關(guān)于聲波在量子領(lǐng)域中的行為，有許多根本未解決的問題，而且該系統(tǒng)可以為科學(xué)家提供一個解決這些問題的平臺。

該技術(shù)還可以為量子“翻譯器”指明方向，該“翻譯器”將允許跨越任何距離的量子通信。克萊蘭德小組工作的電子原子只能在非常低的溫度下工作和通訊。量子聲學(xué)可以使這些電路將量子信息轉(zhuǎn)換為光信號，然后可以在室溫下以遠(yuǎn)距離進(jìn)行通信。克萊蘭德說，聲波裝置有可能構(gòu)成這種系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這種系統(tǒng)被稱為量子中繼器。

第一作者是現(xiàn)年在Google任職的18歲的Kevin Satzinger博士。論文的共同作者包括Assoc。David Schuster教授和David Awschalom教授，以及博士后研究員Audrey Bienfait和Etienne Dumur；鐘中鵬，張洪深，格雷格·皮爾斯，周銘漢，喬爾·格雷貝爾，里斯·波維和山姆·懷特利；還有本·十一月（Ben November）和伊凡·古鐵雷斯（Ivan Gutierrez）（均為AB'18）的本科生。

由耶魯大學(xué)的羅伯特·舒爾科普夫（Robert Schoelkopf）領(lǐng)導(dǎo)的同一版《自然》雜志的另一項(xiàng)研究也報(bào)告了單聲子激發(fā)的產(chǎn)生。這組作者說，兩者合計(jì)，為存儲量子信息開辟了一條新途徑。

這些設(shè)備是在IME的Pritzker納米制造工廠中制造的。