過去六年來，科學家們在機械系統中形成量子現象方面取得了巨大進步。十五年前看似不可能的事情現在已成為現實，由于研究人員成功地在宏觀機械物體中形成了量子態。
8月10日，研究成果以“Awith”為題，發表在《自然·物理學》上。
——宏觀機械振蕩器相干時間的里程碑可能是基于光機械結構的量子技術開發，和量子熱學基礎測試的關鍵進展。
量子體系中的機械振蕩器()用途廣泛。它們的高靈敏度和與不同頻度的電磁場耦合的能力，使它們成為（未來）量子應用的寶貴預制構件，比如作為聯接混和器件的傳感，或用于小力、小位移和小質量的精密檢測。但是，這些光機械結構與環境耦合，因而面臨退相干問題，這限制了它們的可用性。如今，Amir和合作者在《自然-化學》（）刊物上報告說，她們實現了一種具有超高熱化率的光機械電路，才能高保真地制備機械振蕩器的接地和擠壓態。
通過將這種機械振蕩器與光子（被稱為“光機械系統()”）耦合，科學家們早已才能將它們冷卻到接近量子極限的最低基態，“擠壓”它們以進一步減少其震動，并使它們互相纏結。這種進步為量子傳感器、量子估算中的緊湊儲存、量子引力的基本測試量子傳輸實物，甚至暗物質的找尋帶來了新的機遇。
為了讓光機電系統在量子環境下高效運行，科學家們面臨著兩難的選擇。一方面，機械振蕩器必須與環境適當隔離，以盡量降低能量損失；另一方面，它們必須與其他化學系統（如電磁諧振器）良好耦合，便于對其進行控制。
要實現這一平衡，就必須最大限度地延長振蕩器的量子態壽命，而這一壽命會遭到環境熱波動和振蕩器頻度不穩定性的影響——即該領域所稱的“退相干”。從引力波偵測器中使用的巨型反射鏡到高真空中的微小被困粒子，這在各類系統中都是一個常年存在的挑戰。與超導量子比特或離子阱等其他技術相比，現今的光機電系統一直顯示出較高的退相干率。
如今，洛桑聯邦理工大學J.實驗室的科學家們通過開發一種超導電路光機電平臺解決了這一問題，該平臺在顯示超低量子退相干的同時，能夠保持大的光機電耦合，因而實現高保真量子控制。
領導該項目的博士生Amir說：“簡單地說，我們展示了迄今為止在機械振蕩器中實現的最長量子態壽命，它可以用作量子估算和通訊系統中的量子儲存器件。這是一項重大成就，對量子化學學、電氣工程和機械工程領域的廣大受眾形成了影響。”
檢測退相干和去相位()率。光機電路中鼓頭諧振器的機械模式處于接地（|0>）和擠壓（|j>）狀態，這兒用機械模式的X和P正交相空間表示。從能級開始的熱化可以獲得熱退相干率（Γth，左），而當系統初始化為擠壓態時，則可以提取相位率（Γj，右）。
這項突破的關鍵要素是“真空間隙鼓頭電容器（-gap）”，這是一種由漂浮在硅基底溝槽上的鋁薄膜制成的震動器件。該電容器是振蕩器的震動器件量子傳輸實物，同時也構成了一個諧振微波電路。這些結構可以將機械模式冷卻到其量子能級、制備機械擠壓態，并將兩個機械振蕩器糾纏在一起。
通過一種新穎的納米制造技術，研究小組大大增加了鼓頭諧振器的機械耗損，實現了前所未有的熱退相干率：僅為20赫茲，相當于7.7微秒的量子態壽命——這是機械振蕩器中實現的最長壽命。與之前的光機械實驗相比，機械態的壽命提升了100倍。
熱致退相干的明顯增加使研究人員才能使用光機械冷卻技術，進而使量子態在能級搶占的保真度達到令人印象深刻的93%。據悉，研究小組還實現了高于運動零點波動的機械擠壓，其值為-2.7分貝。
超相干電路光學機械。
該團隊的超導電路平臺具有許多有趣的前景，由于它可以與微波量子比特集成到混和構架中。“這種超低量子退相干除了增強了宏觀機械系統量子控制和檢測的保真度，并且同樣有利于與超導量子比特的對接，并將系統放在適宜量子引力測試的參數體系中。”研究團隊的另一位成員Mahdi說：“與超導量子比特相比，該平臺的儲存時間要長得多，因而是量子儲存應用的理想候選者。”
這是一個耐人尋味的視角。一方面，壽命長的機械模式可以作為儲存量子信息的量子儲存器。另一方面，與量子比特的耦合提供了一種非線性，可用于在機械模式中創建真正的非精典狀態。據悉，因為合作者觀察到的相干時間較長，借助微波光機電路進行量子熱學的基本測試也就指日可待了，比如隱型傳態合同或貝爾測試。
其實光機械量子應用須要與環境的低耦合，但另一個挑戰仍然存在：單光子和聲子之間的耦合也須要很大。在電路光機械學中使用電感耦合而非電容耦合在這方面取得了進展，但這類電路仍會遭到熱退相干的影響。實現強光機械耦合與超高熱致退相干相結合，將使光機械技術大膽地邁向共振器未曾踏足的領域。
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