奇怪的振動或將控制量子計算機

微米尺寸的聲學諧振器(橙色)捕捉可以控制量子比特的振動。圖片來自：芝加哥大學克萊蘭德實驗室KEVIN SATZINGER

目前，微波光子是許多量子計算機的關鍵：物理學家用它來編程、讀出和操縱機器的量子比特。但微波技術體積龐大，其量子態不會持續很長時間。現在，有幾個小組正在探索一種與量子計算機交流的新方法——通過微小的振動，其通常是令人討厭的熱量和噪音的載體。

量子聲學的萌芽學科可以通過微型化技術和產生更持久的量子存儲來震動早期的量子計算機。芝加哥大學的物理學家安德魯·克萊蘭德說，「我們在控制量子振動這一技術領域居世界領先地位」，該小組上周在美國物理學會年度會議上發布了最新的研究成果。

普通計算機按二進位進行翻轉，比特設置為0或1，而量子計算機使用的量子比特可以同時設置0，1或同時是0和1，這可能會大幅度提升速度。像Google和IBM這樣的公司正在競相展示量子計算機在某些任務中的優越性，包括谷歌在內的許多公司紛紛押寶超導量子比特——在晶元上由超導金屬電路構成的量子比特。

為了控制或讀出超導量子比特，研究人員使其與微波諧振器(通常是量子比特晶元上的金屬條或圍繞它的手指大小的諧振腔)相互作用，它與微波光子就像管風琴與聲音一樣振動發聲。通過調整量子比特的能量，研究人員可以將其量子態轉移到諧振器中，使得量子比特的0和1狀態可以存儲為光子的同時存在和不存在的諧振器狀態。但一些物理學家發現，用機械諧振器替代微波諧振器的優勢在於它可以量化振動或光子。

耶魯大學的物理學家羅伯特·舍勒科普夫(Robert Schoelkopf)說，這種努力可能看起來很愚蠢，因為這樣的振動構成了熱量，這消除了微妙的量子態。但是，當在接近絕對零度的溫度下工作時，設計良好的聲學諧振器的振鈴時間可能比微波的長，這使得它可以充當一種量子存儲器。他說，振動的波長也只有相同頻率的微波的千分之一，所以諧振器可以更加緊湊。

首先，物理學家必須學會控制量子振動。他們在2010年邁出了第一步，當時位於加利福尼亞大學聖巴巴拉分校(UCSB)的克萊蘭德(Cleland)用從氮化鋁蝕刻的擺動懸臂樑吸出每個聲子，使其處於能量最低的量子基態。然而，這種簡單的量子態僅持續了5納秒，由於時間太短了而不能將器件置於更複雜的量子運動狀態。

為了進一步推進，一些團隊正在操縱稱為表面聲波(SAW)的漣波，這些漣波沿著材料表面傳播。在微晶元的頂端，研究人員蝕刻兩微米的金屬條紋光柵。在光柵之間的縫隙中，研究人員通過向稱作換能器的梳狀裝置施加電壓來觸發漣波，這就引起了材料收縮。光柵充當鏡子，來回反射特定波長的SAW，以便它們在間隙中共振。通過將感測器連接到超導量子比特，研究人員將其量子態與SAW連接起來。

利用這種方法，克萊蘭德和UCSB研究生凱文薩·茨辛格(Kevin Satzinger)在鈮酸鋰晶元上製造了一個諧振器，該晶元的振動時間長達150納秒。茨辛格在會議上表示，他們展示了他們可以在諧振器中產生任何期望的0和1聲子組合。他說：「我們可以看到量子和諧振腔之間的能量來回運動。」

Schoelkopf小組的研究人員不關注晶元表面上的漣波，而是關注通過晶元散裝材料的振動。他們開發利用能夠在其量子比特之下的半毫米厚晶元的上下表面之間彈跳的振動。

耶魯大學的Yiwen Chu在會議上表示，研究人員利用這種幾何結構，在他們的藍寶石晶元上振動了大約60微秒。而且，研究人員可以將最多七個量子振動一個接一個地送入諧振器。Yiwen Chu說，製造更複雜的量子態是「下一步」。例如，她說他們可能會試圖將諧振器放入薛定諤貓狀態，在這種狀態下它將包含宏觀聲波(含有許多振動量子)，且同時沒有振動。

科羅拉多大學博爾德分校和國家標準與技術研究院的聯合研究所天體物理聯合實驗室(JILA)的物理學家康拉德·萊納特(Konrad Lehnert)說，聲學諧振器可以為量子電路設計提供更多的靈活性。在一些電路中，多個量子比特被連接到相同的微波諧振器，將其作為量子比特相互作用的管道。但大多數微波腔只能容納單一頻率的光子。在這種情況下，所有的量子比特必須在相互聯繫的糾纏中相互作用。

萊納特說，相比之下，聲學諧振器可以使量子比特與幾個不同的緊密頻率的振動相互作用。這使得定製量子比特之間的相互作用成為可能，例如，只有最近的鄰居才會相互作用，這對建模某些抽象量子系統是很有用的。天體物理聯合實驗室的布拉德利·摩爾斯(Bradley Moores)在會議上表示，他和他的同事已經朝著這種控制方向邁出了一步，通過展示他們可以同時將一個量子比特耦合到幾個頻率的SAW中。

量子聲學還可能有助於解決新興量子技術的一個主要問題。微波電纜可以在量子計算機內傳送信息。然而，要將其轉移到其他實驗或遙遠的位置，這些信號很可能需要從微波轉換為光頻聲子，這些光頻聲子可以在光纖中傳播很遠的距離。在微波頻率處起伏的聲波具有與光頻聲子類似的波長。研究人員說，原則上，它們可以作為兩者之間的橋樑，儘管還沒有人知道如何去做。

聲學諧振器甚至可以測試量子領域的界限。量子理論允許像原子或光子這樣的微小物體同時在兩個地方存在，但沒有人在宏觀物質對象中看到過這種行為。一些理論家認為，一個未知的原理(可能涉及重力)會阻止它發生在大型物體上。但Yiwen Chu說，這有可能讓她團隊的藍寶石晶元同時向相反的方向振動。這樣會在同一時間在兩個稍微不同的地方放置數十微克的材料，並測試量子「怪異」是否會擴展到人類的規模。Yiwen Chu說：「究竟會怎樣，直到你嘗試了才會知道。」

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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