美科学家实现了机械系统与量子系统的联合

用于量子电路实验的一种声波装置阵列。亮紫色部分是设备中功能活跃的部分。

量子力学，是一门描述亚原子尺度上粒子特性与表现的学科。过去十年间，科学家们基于量子力学中奇异的物理法则，力图创建相应的、便于控制的系统装置，并已经取得了长足的进步。然而，物理学家们面临的巨大挑战之一是如何让精密的量子系统更好地与机械系统——任何带有运动部件的系统——嵌合联动运行，因为机械系统是目前许多现有科技的基础。

据《自然》杂志11月21日刊发的一篇研究论文称，美国芝加哥大学（University of Chicago）分子工程研究所和阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的科学家们创建了一个机械系统——一个用于声波的微型“回音室”——通过连接到量子电路便可以在量子层面上对其进行控制。这一最新的技术突破或将让量子技术的触角延伸到制造新型量子传感、量子通信和量子存储设备上。

该项目的首席研究员、芝加哥大学分子工程创新与创业教授、阿尔贡国家实验室资深科学家安德鲁·克莱兰（Andrew Cleland）介绍道：“让这两种技术发生交互是所有量子应用项目最为关键的第一步。通过这种方法，我们实现了对机械系统的量子控制，其水平远远超出了以往的水平。”克莱兰指出，业界对量子和机械两种系统的集成特别感兴趣，一直在尝试制造出超级精确的量子传感器，从而能够探测到原子层面最微弱的振动或与单个原子发生相互作用。

克莱兰继续介绍道：“一方面，许多（当前的）探测技术依赖于对力和位移——运动的感知，而传感器在任何用于探测的应用设备中都扮演着重要的角色。另一方面，机械系统是最容易制造，也是最敏感的，比如，机械传感器就是引力波探测系统的核心。所以长期以来，人们都抱有极大的兴趣将它们的性能扩展提升到量子层面的极限。”

克莱兰研究工作的一部分主要集中在量子电路领域，他试图把这样的电路连接到一个产生表面声波的装置上——表面声波是一种沿一块固体材料表面传播的微小声波，与池塘水面流动的涟漪相类似。这一现象在手机、车库自动门开关和无线电接收器等日常设备中起着关键作用。

该研究小组在该领域中一个关键的技术突破是，成功地在不同类型的材料上分别创建两种系统，然后再将它们连接在一起。这让他们既能对每个组件进行优化，又能允许组件之间进行通信。前提条件是两者都必须保持超级低的温度——仅仅比绝对零度高出万分之一度。科学家们对这一进展感到非常兴奋，因为这给他们提供了一个在量子层面上进行声波实验的平台。

另外，这项技术或将为量子“转换器”的诞生指明方向，从而让相距任何距离的量子通信变为现实。克莱兰说，他们的带电原子只能在极低的温度下发挥作用和进行交互，而量子声学可以通过这些电路将量子信息转换成光学信号，然后在室温下进行远距离通信。声波装置有可能将成为制造“量子中继器”（quantum repeater）系统的基础。

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编译：Jonathan 

审稿：三水   

责编：张梦

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：

https://phys.org/news/2018-11-quantum-doors-powerful-sensors.html

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