洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家們開發出了一種超導電路光機械平台，該平台展示了超低量子退相干和高保真量子控制。他們在”真空間隙鼓頭電容器”方面的開創性工作使機械振盪器達到了迄今為止最長的量子態壽命，為量子計算和傳感領域的新應用鋪平了道路。

超導機電系統的掃描電子顯微鏡圖像。資料來源：Amir Youssefi（EPFL）

過去十年來，科學家們在機械系統中產生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如今已成為現實，因為研究人員成功地在宏觀機械物體中產生了量子態。通過將這些機械振盪器與光子（被稱為”光機械系統”）耦合，科學家們已經能夠將它們冷卻到接近量子極限的最低能級。他們還設法”擠壓”它們，進一步降低它們的振動，並使它們相互纏結。這些進步為量子傳感、量子計算中的緊湊存儲、量子引力的基本測試，甚至暗物質的尋找帶來了新的機遇。操作光機械系統的困境為了在量子體系中有效地運行光機械系統，科學家們面臨著兩難選擇。一方面，機械振盪器必須與環境適當隔離，以盡量減少能量損耗；另一方面，它們必須與其他物理系統（如電磁諧振器）良好耦合，以便對其進行控制。要實現這一平衡，就必須最大限度地延長振盪器的量子態壽命，而這一壽命會受到環境熱波動和振盪器頻率不穩定性的影響，即該領域所稱的”退相干”。從引力波探測器中使用的巨型反射鏡到高真空中的微小被困粒子，這在各種系統中都是一個長期存在的挑戰。與超導量子比特或離子阱等其他技術相比，當今的光機電系統仍然顯示出較高的退相干率。EPFL 的突破： 超低量子退相干現在，洛桑聯邦理工學院托比亞斯-基彭伯格實驗室的科學家們通過開發一種超導電路光機電平台解決了這一問題，該平台在保持大的光機電耦合的同時顯示出超低量子退相干，從而實現了高保真量子控制。這項研究成果於8月10日發表在《自然-物理》雜誌上。領導該項目的博士生阿米爾-尤塞菲（Amir Youssefi）說：”簡單地說，我們展示了有史以來在機械振盪器中實現的最長量子態壽命，它可用作量子計算和通信系統中的量子存儲元件。這是一項重大成就，影響著量子物理學、電子工程和機械工程領域的眾多受眾。”關鍵要素： 真空間隙鼓頭電容器這項突破的關鍵要素是”真空間隙鼓頭電容器”，這是一種由懸浮在矽基板溝槽上的鋁薄膜製成的振動元件。該電容器是振盪器的振動元件，同時也構成了一個諧振微波電路。通過一種新穎的納米製造技術，研究小組大大降低了鼓頭諧振器的機械損耗，實現了前所未有的熱退相干速率，僅為20 赫茲，相當於7.7 毫秒的量子態壽命–這是機械振盪器中實現的最長壽命。結果和意義熱誘導退相干的顯著降低使研究人員能夠使用光機械冷卻技術，從而使量子態在基態佔據的保真度達到令人印象深刻的93%。此外，研究小組還實現了低於運動零點波動的機械擠壓，其值為-2.7 dB。“這種控制水平使我們能夠觀察到機械擠壓態的自由演化，並在2 毫秒的較長時間內保持其量子行為，這要歸功於機械振盪器中僅為0.09 Hz 的超低純去相率，”參與研究的Shingo Kono 說。”這種超低量子退相干不僅提高了宏觀機械系統量子控制和測量的保真度，而且同樣有利於與超導量子比特的對接，並將系統置於適合量子引力測試的參數體系中，”研究團隊的另一位成員馬赫迪-切格尼扎德（Mahdi Chegnizadeh）說，”與超導量子比特相比，該平台的存儲時間要長得多，因此是量子存儲應用的理想候選者。 “