兩個串聯(lián)碳納米管諧振器的強(qiáng)耦合由我國科學(xué)家成功實現(xiàn)

記者從中國科技大學(xué)獲悉，中國科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實驗室在基于碳納米管的納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)方面取得系列重要進(jìn)展。該實驗室固態(tài)量子芯片組郭國平研究組與清華大學(xué)姜開利研究組等合作并成功實現(xiàn)了兩個串聯(lián)碳納米管諧振器的強(qiáng)耦合、碳納米管諧振器中兩個模式的強(qiáng)耦合，并利用這種耦合實現(xiàn)了聲子的相干操控。相關(guān)成果分別發(fā)表在國際權(quán)威雜志《納米快報》和《納米尺度》上。

碳納米管由于其良好的電學(xué)性能、優(yōu)異的力學(xué)性能，近年來被廣泛應(yīng)用于納米機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)研究中，其在質(zhì)量、微力、氣體、位移等物理量的測量方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。特別地，碳納米管諧振器的機(jī)械模式和單分子磁體、單電子電荷以及自旋等物理量具有較強(qiáng)的耦合，可以用來探索納米尺度下的物理現(xiàn)象，是一種品質(zhì)優(yōu)良的量子傳感器件。

在量子信息領(lǐng)域，納米諧振器中的聲子可以保持較長的相干時間，可以保持相干進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸，是一種良好的飛行量子比特，被認(rèn)為是量子數(shù)據(jù)總線的候選者之一。圍繞探索聲子作為量子數(shù)據(jù)總線這一目標(biāo)，郭國平研究組開展了多機(jī)械振子長程耦合方面的研究，并在碳納米管機(jī)械振子上首次實現(xiàn)了兩個串聯(lián)機(jī)械振子的強(qiáng)耦合，同時也觀測到了兩個機(jī)械振子分別和量子點(diǎn)的強(qiáng)耦合。該新型耦合機(jī)械振子器件為研究電子-聲子相干相互作用、電子長程耦合以及電子糾纏態(tài)提供了新的平臺。利用聲子作為飛行量子比特也為量子數(shù)據(jù)總線研究提供了新思路。

在實現(xiàn)了聲子的長程耦合、長程傳遞的基礎(chǔ)上，量子數(shù)據(jù)總線的研究還需要實現(xiàn)對聲子的相干操控。機(jī)械振動高階模式的研究對超靈敏傳感器、聲子的相干操控具有重要意義。目前國際上的多機(jī)械模式耦合的相關(guān)研究主要集中在百千赫茲的低頻諧振器，而要實現(xiàn)更靈敏的傳感器，實現(xiàn)更快的聲子操控，需要進(jìn)一步提高諧振器的諧振頻率。

針對高頻聲子操控的難題，郭國平研究組發(fā)現(xiàn)單根碳納米管中不同方向的振動模式都可以工作在百兆赫茲量級，這兩個模式可以通過額外加入一個參量驅(qū)動來進(jìn)行耦合，且通過調(diào)節(jié)驅(qū)動功率可以實現(xiàn)從弱耦合到強(qiáng)耦合的線性調(diào)控，這與理論計算的結(jié)果完全一致。研究組通過控制驅(qū)動微波的波形實現(xiàn)了機(jī)械振動中聲子的相干拉比操作，觀測到10次以上的拉比震蕩，是目前實驗上聲子操作次數(shù)的最大紀(jì)錄，此外拉比操作的頻率大于500千赫茲，比此前的相關(guān)報道高出兩個數(shù)量級。該研究成果發(fā)表在國際權(quán)威雜志《納米快報》上。

該系列工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。 “通過一系列的手段將機(jī)械振動冷卻到量子基態(tài)之后，對聲子的相干操控將在量子傳感、量子信息領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。”郭國平說。