科研进展 | 斯坦福大学研究团队使用量子传感器研究声子相干性

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发布时间：2024-06-17

纳米机械振荡器的尺寸紧凑、使用寿命较长，并且具备检测力和运动的能力，可令量子技术具有更多优势。纳米机械振荡器与超导量子比特的集成显示出包含机械相干态叠加的硬件高效量子纠错协议具有广阔前景。但这种方法有一定局限性，比如机械退相干过程，尤其是二能级系统（TLS）缺陷，而这些缺陷已使用经典场和探测器进行了广泛研究。

6月11日，斯坦福大学Amir H. Safavi-Naeini课题组在《nature communications》期刊发表题为“Studying phonon coherence with a quantum sensor”（使用量子传感器研究声子相干性）的研究论文，Agnetta Y. Cleland博士生为论文第一作者，Amir H. Safavi-Naeini副教授为论文通讯作者。

Amir H. Safavi-Naeini，斯坦福大学应用物理系副教授，研究领域为量子光学、光子学、光力学、量子测量

Agnetta Y. Cleland，2017年获得芝加哥大学物理学学士学位，并于同年晚些时候开始在斯坦福大学攻读应用物理学博士学位，致力于设计超导线路和机械系统之间的相互作用，以产生纠缠量子态。

在本文中，研究团队使用超导量子比特充当量子传感器，在压电耦合声子晶体腔上进行声子数分辨测量。研究人员因此能够在尺寸可变的相干态中，对机械耗散和机械退相位进行高分辨率研究。随后，观察到退相位速率的非指数式弛豫和状态尺寸依赖性降低，并将其归因于TLS。使用数值模型，通过发射进由快速退相位TLS组成的小系综（N = 5）中产生耗散信号（更准确地说，是退相位信号）。该研究结果包括对量子系统中TLS诱导的声子退相干的详细研究。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48306-0

在这项工作中，研究人员旨在将线路QED测量技术的灵活性扩展到机械设备领域，以了解TLS行为。在他们的方法中，量子比特非线性的存在使得对机械状态进行量子非破坏性测量（quantum nondemolition measurement）成为可能。带有超导量子比特的Ramsey协议能够在机械谐振器上执行时间和声子数分辨测量。研究人员利用这种方法来观察时域中TLS诱导的耗散特征。这种技术可以很容易地扩展到其他玻色子系统，并提供振荡器的机械状态随时间演化的高精图片，为量子非线性耗散过程提供新视角。

本文所研究的机械振荡器是由铌酸锂（lithium niobate）薄膜制成的一维声子晶体腔。虽然该器件包含两个谐振器，但这些实验仅关注其中支持更高频率模式的腔体（图1a）。腔体具有两端悬挂缺陷位点的周期性结构，被拿来充当声学镜。声学镜的周期性产生了完整的声子带隙，从而保护局域模式免受声子辐射通道的影响（图S1和补充说明1）。除了铌酸锂的强压电效应能够产生大耦合速率之外，这种设计方法还有力地消除了钳位和其他线性散射损耗的影响，为量子声学研究提供了一个引人注目的平台。此外，这些腔体的小模式体积能够与较少的TLS产生更强的耦合，这使其成为研究TLS作为机械损耗通道的理想候选者。

最终，研究人员观测到的机械耗散动力学与发射到快速退相位TLS热浴中的行为一致。在可变尺寸的机械相干态的振铃测量（ringdown measurement）中，观测到初始阶段是快速衰减的，最终变成明显更慢的耗散。因此，机械耗散率随着声子态大小的变化而变化，无法用谐波振荡器预期的简单线性关系来描述。研究人员使用一个简单的数值模型重现了这种行为，该模型包含由TLS组成的小系综，结果显示，机械模式起初快速衰减为TLS，并且在TLS饱和后，衰减开始变慢。此外，研究人员还使用干涉测量协议进行机械退相位测量，该协议涉及机械状态的相干位移，这一点也进行了数值研究。