36个机械谐振器装置阵列的平台。在该阵列的一个部分中制造并电连接纳米谐振器。然后将整个碎片放入低温恒温器中进行测量。信贷:ICFO

量子信息(QI)处理具有革新技术的潜力，提供无与伦比的计算能力、安全性和检测灵敏度。

量子比特是量子信息硬件的基本单元，是量子计算机和量子信息处理的基石。然而，关于哪种类型的量子位实际上是最好的，仍然存在大量的讨论。

该领域的研究和发展正以惊人的速度增长，以确定哪个系统或平台超越了其他系统或平台。仅举几个例子，各种各样的平台，如超导约瑟夫森结、捕获离子、拓扑量子比特、超冷中性原子，甚至钻石空位，构成了制造量子比特的可能性动物园。

到目前为止，只有少数量子比特平台被证明具有量子计算的潜力，标志着高保真控制门的清单，简单的量子比特-量子比特耦合，以及与环境的良好隔离，这意味着足够长的相干性。

纳米机械谐振器可能是少数平台的一部分。它们是振荡器，就像弹簧和弦(如吉他)，当驱动时，根据驱动的强度产生谐波或非谐波声音。但是当我们将纳米谐振器冷却到绝对零度时会发生什么呢?

从左至右:ICFO教授兼组长Adrian Bachtold、Christoffer Moller、Chandan Samanta、Sergio Lucio de Bonis和Roger Tormo-Queralt在ICFO的一个小组实验室里。信贷:ICFO

振荡器的能级量子化，谐振器以其特有的零点运动振动。零点运动源于海森堡测不准原理。换句话说，谐振器即使处于基态也能保持运动。如果谐振器的量子化能级不是均匀间隔的，则实现机械量子位是可能的。

挑战在于在量子状态下保持足够大的非线性效应，在量子状态下，振荡器的零点位移很小。如果实现了这一点，那么该系统可以通过在两个最低量子水平之间操纵它来用作量子位，而无需将其驱动到更高的能量状态。

多年来，人们一直对用机械纳米谐振器实现量子比特系统很感兴趣。2021年，Fabio Pistolesi (universv . Bordeaux-CNRS)、Andrew N. Cleland (universv . Chicago)和ICFO教授Adrian Bachtold基于纳米管谐振器在超强耦合机制下耦合到双量子点，建立了机械量子比特的坚实理论概念。

这些理论结果证明，这些纳米机械谐振器确实可以成为量子比特的理想候选者。为什么?因为它们显示出长相干时间的特征，这是量子计算的明确“必须”条件。

考虑到有一个理论框架可以使用，现在的挑战是实际制造出一个量子比特的机械谐振器，并找到适当的条件和参数来控制系统中的非线性。

在对这些系统进行了数年的无休止的研究之后，实验实现这一目标的挑战已经给它的第一个非常受欢迎的绿灯。ICFO研究人员Chandan Samanta、Sergio Lucio de Bonis、Christoffer Moller、Roger Tormo-Queralt、W. Yang、Carles Urgell在ICFO教授Adrian Bachtold的带领下，与加州大学圣巴巴拉分校的B. Stamenic和B. thibeault、巴黎萨克莱- cnrs大学的Y. Jin、Argonne国家实验室的D.A. Czaplewski合作，发表在《自然物理学》杂志上。和F. Pistolesi从波尔多大学-法国国家科学研究中心通过展示一种新的机制来提高机械振荡器在其量子状态中的非调和性，实现了未来实现机械量子位的第一个预实验步骤。

36个机械谐振器装置阵列的平台。信贷:ICFO

实验:工程环境接近基态的城市

研究小组制造了一个悬浮的纳米管装置，其长度约为1.4微米，其两端钩在两个电极的边缘上。他们定义了一个量子点，它是振动纳米管上的一个两级电子系统，通过静电在悬浮纳米管的两端产生隧道结。

然后，通过调节栅电极上的电压，他们一次只允许一个电子流入纳米管。在单电子隧穿机制下，纳米管的机械运动与单电子耦合。这种机电耦合给机械系统造成了非谐波。

随后，他们将温度降低到mK(毫开尔文，几乎是绝对零度)，并进入一个超强耦合状态，在这个状态下，纳米管上的每个附加电子都会将纳米管的平衡位置从零点振幅移开。

在零点运动的振幅只有13倍的情况下，他们能够注意到这些非线性振动。这个结果是惊人的，因为存在于其他谐振器中的振动，冷却到量子基态，只有在其零点运动的振幅大约为106倍时才显示出非线性。

这种新机制显示出非凡的物理特性，因为与预期相反，当振动冷却到更接近基态时，非谐性会增加。这与迄今为止在所有其他机械谐振器中观察到的正好相反。

正如第一作者Chandan Samanta所强调的那样，“当研究人员第一次开始研究纳米机械谐振器时，一个反复出现的问题是，是否有可能在量子基态下实现非线性振动。该领域的一些主要研究人员认为，由于技术限制，这将是一项具有挑战性的壮举，直到现在，这种观点仍然是公认的范式。在这种情况下，我们的工作代表了一个重要的概念进步，因为我们证明了量子状态下的非线性振动确实是可以实现的。我们相信，非线性效应可以通过更接近量子基态来进一步增强，但我们受到当前低温恒温器温度的限制。我们的工作为实现量子状态下的非线性振动提供了路线图。”

与迄今为止在其他机械谐振器中观察到的情况相反，研究小组发现了一种方法，可以增强机械振荡器在其量子状态附近的非谐性。这项研究的结果为未来机械量子比特甚至量子模拟器的发展奠定了第一块踏脚石。

正如Adrian Bachtold所说:“值得注意的是，我们进入了超强耦合状态，并在谐振器中观察到强烈的非谐性。但由于谐振器与一个量子点的耦合，在低温下阻尼率变得很大。在未来以猫态和机械量子比特为目标的实验中，将纳米管振动与双量子点耦合将是有利的，因为它可以实现强非线性和长寿命的机械状态。双量子点中电子产生的阻尼在低温下呈指数级抑制，因此有可能在低温下在纳米管中测量到10 Hz的阻尼率。”

参考文献:“接近量子基态的非线性纳米力学谐振器”，C. Samanta, S. L. De Bonis, C. B. m . ller, R. Tormo-Queralt, W. Yang, C. Urgell, B. Stamenic, B. Thibeault, Y. Jin, D. A. Czaplewski, F. Pistolesi和A. Bachtold, 2023年6月8日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02065 - 9”