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量子聲波為更強(qiáng)大的傳感器打開(kāi)了大門(mén)
來(lái)源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/3/1

量子電路實(shí)驗(yàn)中使用的聲波器件的陣列。明亮的紫色部分是設(shè)備的活動(dòng)部分。圖片來(lái)源:凱文·薩辛格(Kevin J. Satzinger)


在過(guò)去的十年中,科學(xué)家們?cè)诨谄娈惖牧孔恿W(xué)規(guī)則構(gòu)建和控制系統(tǒng)的能力方面取得了巨大飛躍,該規(guī)則描述了亞原子級(jí)粒子的行為。


但是,挑戰(zhàn)在于如何使精密的量子系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)(任何帶有運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng))完美協(xié)作,而這是許多現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)。


首先,芝加哥大學(xué)分子工程研究所和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們建立了一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)-一個(gè)用于聲波的微小“回聲室” -通過(guò)將其連接到量子,可以在量子水平上對(duì)其進(jìn)行控制電路。該突破將于11月21日發(fā)表在《自然》雜志上,這一突破可能會(huì)將量子技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到新的量子傳感器,通信和存儲(chǔ)領(lǐng)域。


主要研究作者安德魯·克萊蘭德(Andrew Cleland),分子工程創(chuàng)新與企業(yè)高級(jí)教授約翰·A·麥克萊恩(John A. MacLean Sr)和阿貢大學(xué)的高級(jí)科學(xué)家說(shuō):“使這兩種技術(shù)相互交流是所有量子應(yīng)用的關(guān)鍵的第一步!眹(guó)家實(shí)驗(yàn)室!巴ㄟ^(guò)這種方法,我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的量子控制,其水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了以前!


克萊蘭德說(shuō),尤其是,人們對(duì)集成量子和機(jī)械系統(tǒng)非常感興趣,以便制造出極其精確的量子傳感器,以檢測(cè)微小的振動(dòng)或與單個(gè)原子相互作用。


他說(shuō):“許多檢測(cè)物體的技術(shù)都依賴(lài)于感應(yīng)力和位移,即運(yùn)動(dòng)! “這些傳感器在您要測(cè)量某物的任何類(lèi)型的應(yīng)用中都起著根本性的作用。而機(jī)械系統(tǒng)最容易構(gòu)建且最靈敏,因此人們一直對(duì)將其達(dá)到量子極限感興趣! (例如,機(jī)械傳感器位于檢測(cè)重力波的系統(tǒng)的核心,即時(shí)空結(jié)構(gòu)中的波動(dòng),使我們可以“看到”黑洞在整個(gè)宇宙中碰撞。)


Cleland的研究部分集中在量子電路上,他想將這些電路中的一個(gè)連接到產(chǎn)生表面聲波的設(shè)備上,該表面聲波是沿著固體材料塊的表面?zhèn)鞑サ奈⑿÷暡,例如在整個(gè)表面上移動(dòng)的波紋池塘 這種現(xiàn)象在手機(jī),車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟器和無(wú)線電接收器等日常設(shè)備中起著關(guān)鍵作用。


一個(gè)關(guān)鍵的突破是在不同種類(lèi)的材料上分別構(gòu)建兩個(gè)系統(tǒng),然后將它們連接在一起。這樣一來(lái),團(tuán)隊(duì)就可以?xún)?yōu)化每個(gè)組件,并且仍然可以相互交流。兩者都必須保持非常非常冷-僅比絕對(duì)零高十分之一度。


科學(xué)家很興奮,因?yàn)檫@為他們提供了一個(gè)在量子水平上進(jìn)行聲音實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。


克萊蘭德說(shuō):“這種特殊的結(jié)果打開(kāi)了大門(mén),使人們能夠用光已經(jīng)可以完成很多事情,” “聲音的移動(dòng)速度比光慢100,000倍,這使您有更多的時(shí)間去做事情。例如,如果將量子信息存儲(chǔ)在內(nèi)存中,則它在聲音中的存儲(chǔ)時(shí)間比在光中的存儲(chǔ)時(shí)間要長(zhǎng)得多!


他說(shuō),關(guān)于聲波在量子領(lǐng)域中的行為,有許多根本未解決的問(wèn)題,而且該系統(tǒng)可以為科學(xué)家提供一個(gè)解決這些問(wèn)題的平臺(tái)。


該技術(shù)還可以為量子“翻譯器”指明方向,該“翻譯器”將允許跨越任何距離的量子通信?巳R蘭德小組工作的電子原子只能在非常低的溫度下工作和通訊。量子聲學(xué)可以使這些電路將量子信息轉(zhuǎn)換為光信號(hào),然后可以在室溫下以遠(yuǎn)距離進(jìn)行通信?巳R蘭德說(shuō),聲波裝置有可能構(gòu)成這種系統(tǒng)的基礎(chǔ),這種系統(tǒng)被稱(chēng)為量子中繼器。


第一作者是現(xiàn)年在Google任職的18歲的Kevin Satzinger博士。論文的共同作者包括Assoc。David Schuster教授和David Awschalom教授,以及博士后研究員Audrey Bienfait和Etienne Dumur;鐘中鵬,張洪深,格雷格·皮爾斯,周銘漢,喬爾·格雷貝爾,里斯·波維和山姆·懷特利;還有本·十一月(Ben November)和伊凡·古鐵雷斯(Ivan Gutierrez)(均為AB'18)的本科生。


由耶魯大學(xué)的羅伯特·舒爾科普夫(Robert Schoelkopf)領(lǐng)導(dǎo)的同一版《自然》雜志的另一項(xiàng)研究也報(bào)告了單聲子激發(fā)的產(chǎn)生。這組作者說(shuō),兩者合計(jì),為存儲(chǔ)量子信息開(kāi)辟了一條新途徑。


這些設(shè)備是在IME的Pritzker納米制造工廠中制造的。


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