一項突破性研究引入了先進的奈米光機械腔體，為更高效的量子網路和改進量子計算與通訊技術鋪平了道路。在從微波到紅外線的電磁頻譜帶中相干地傳輸資訊的能力，對於開發用於計算和通訊的先進量子網路至關重要。

透過光域和機械域之間的相互作用，光在空腔內直接散射到波導的過程示意圖。資料來源：André Garcia Primo/UNICAMP

巴西坎皮納斯州立大學（UNICAMP）的研究人員與瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）和荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）的同事合作進行了一項研究，重點研究了奈米光機械腔體在這方面的應用。這些奈米級諧振器可促進高頻機械振動與電信業所用波長的紅外光之間的相互作用。

有關這項研究的文章最近發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上。

架起超導電路與光纖之間的橋樑

“奈米機械諧振器是超導電路與光纖之間的橋樑。超導電路是目前最有前途的量子計算技術之一，而光纖則通常被用作資訊的長距離傳輸器，噪音小且無訊號損失，”格列布-瓦塔金物理研究所（IFGW -UNICAMP）教授、文章最後一位作者蒂亞戈-阿萊格雷（Thiago Alegre）說。

阿萊格雷說，這項研究的關鍵創新之一是引進了耗散光機械學。傳統的光機械裝置依賴純粹的色散相互作用，在這種情況下，只有局限在腔體內的光子才能被有效地色散。在耗散光機械學中，光子可以直接從波導散射到諧振器。

在這項研究之前，耗散光機械相互作用僅在低機械頻率下得到證實，這排除了光子（光學）和聲子（機械）領域之間量子態轉移等重要應用。這項研究首次證明了耗散光機械系統在機械頻率超過光學線寬的情況下運作。

“我們成功地將機械頻率提高了兩個數量級，並將光機耦合率提高了十倍。這為開發更有效的設備提供了非常廣闊的前景，”阿萊格雷說。

這些裝置是與代爾夫特理工大學合作製造的，其設計採用了半導體行業的成熟技術。奈米矽梁懸浮在空中，可以自由振動，這樣紅外光和機械振動就同時被限制住了。橫向放置的波導允許光纖與空腔耦合，從而產生耗散耦合，這正是研究人員所展示成果的關鍵要素。

這項研究為量子網路的建構提供了新的可能性。除了這個直接應用外，它還為未來的基礎研究奠定了基礎。阿萊格雷說：”我們希望能夠單獨操縱機械模式，緩解光機械裝置中的光學非線性問題。 “

參考文獻André G. Primo、Pedro V. Pinho、Rodrigo Benevides、Simon Gröblacher、Gustavo S. Wiederhecker 和Thiago P. Mayer Alegre 的”高頻奈米機械諧振器中的耗散光機械學”，2023 年9月18 日，《自然-通訊》。

DOI: 10.1038/s41467-023-41127-7

編譯來源：ScitechDaily