中國科大在納米機電系統相關研究中取得系列進展

我校郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在基於碳納米管的納米機電系統(NEMS)方面取得系列重要進展。該實驗室固態量子晶元組郭國平研究組與清華大學姜開利研究組等合作並成功實現了兩個串聯碳納米管諧振器的強耦合、碳納米管諧振器中兩個模式的強耦合,並利用這種耦合實現了聲子的相干操控,相關成果分別發表在《納米快報》（Nano Lett. 16, 5456 (2016)，Nano Lett. 17, ASAP （2017））和《納米尺度》(Nanoscale 8, 14809 (2016))上。

碳納米管由於其良好的電學性能、優異的力學性能，近年來被廣泛應用於納米機電系統(NEMS)的相關研究，在質量、微力、氣體、位移等物理量的測量方面也具有廣闊的應用前景。特別地，碳納米管諧振器的機械模式和單分子磁體、單電子電荷以及自旋等物理量具有較強的耦合，可以用來探索納米尺度物理現象，是一種品質優良的量子感測器件。在量子信息領域，納米諧振器中的聲子可以保持較長的相干時間，可以保持相干進行遠距離的傳輸，是一種良好的飛行量子比特，被認為是量子數據匯流排的候選者之一。

碳納米管的新型轉移方法和串聯碳納米管諧振器的樣品製備

圍繞探索聲子作為量子數據匯流排這一目標，郭國平研究組開展了多機械振子長程耦合方面的研究，並在碳納米管機械振子上首次實現了兩個串聯機械振子的強耦合，同時也觀測到了兩個機械振子分別和量子點的強耦合，研究成果發表在國際權威雜誌《納米快報》(Nano Lett.16, 5456 (2016))上。該新型耦合機械振子器件也為研究電子-聲子相干相互作用、電子長程耦合以及電子糾纏態提供了新的平台。利用聲子作為飛行比特也為量子數據匯流排研究領域提供了新思路，新方法和新途徑。

在實現了聲子的長程耦合、長程傳遞的基礎上，量子數據匯流排的研究還需要實現對聲子的相干操控。機械振動高階模式的研究對超靈敏感測器、聲子的相干操控具有重要意義。目前國際上的多機械模式耦合的相關研究主要集中在百千赫茲的低頻諧振器，而要實現更靈敏的感測器，實現更快的聲子操控，需要進一步提高諧振器的諧振頻率。

碳納米管中兩個機械模式的強耦合

針對高頻聲子操控的難題，郭國平研究組發現單根碳納米管中不同方向的振動模式都可以工作在百兆赫茲量級，這兩個模式可以通過額外加入一個參量驅動來進行耦合，且通過調節驅動功率可以實現從弱耦合到強耦合的線性調控，這與理論計算的結果完全一致，研究成果發表在7月13日出版的納米學權威雜誌《納米尺度》(Nanoscale 8, 14809 (2016))上。研究組通過控制驅動微波的波形實現了機械振動中聲子的相干拉比操作，觀測到10次以上的拉比震蕩，是目前實驗上聲子操作次數的最大紀錄，此外拉比操作的頻率大於500千赫茲，比此前的高出兩個數量級。該研究成果發表在國際權威雜誌《納米快報》(Nano Lett.17, ASAP (2017))上。通過一系列的手段將機械振動冷卻到量子基態之後，對聲子的相干操控將在量子感測、量子信息領域具有廣闊的應用前景。

該系列工作是在中科院量子信息重點實驗室郭國平教授和鄧光偉副研究員的指導下，主要由該實驗室朱棟、孔偉成、李舒嘯與清華大學姜開利研究組王新河等合作完成的。該系列工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的資助。

附文章鏈接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b01875

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/NR/C6NR02853E#!divAbstract

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b04223

（中科院量子信息重點實驗室、量子信息與量子科技前沿創新中心、科研部）