在單個量子水平上控制機械運動的系統正在成為一個有前途的量子技術平台。新的實驗工作現在確定了如何在不破壞量子態的情況下測量這種系統的量子特性–這是充分挖掘機械量子系統潛力的一個關鍵因素。當提到量子力學系統時，人們可能會想到單光子和隔離良好的離子和原子，或者電子在晶體中傳播。在量子力學的背景下，更奇特的是真正的機械量子系統；也就是說，大質量物體的機械運動，如振動是量化的。
圖為聲學共振器的光學顯微鏡圖像（兩個較大的圓盤，其內部是壓電換能器）和連接到超導量子軌道（白色結構）的天線
在一系列開創性的實驗中，機械系統的基本量子力學特徵已經被觀察到，包括能量量化和糾纏。然而，為了將這些系統用於基礎研究和技術應用，觀察量子特性僅僅是第一步。下一步是掌握機械量子物體的處理方法，使其量子狀態可以被控制、測量，並最終在類似設備的結構中得到利用。
蘇黎世聯邦理工學院固體物理實驗室的Zhu Yiwen小組現在已經在這個方向取得了重大進展。他們在《自然-物理學》雜誌上撰文，報告了從機械量子系統中提取信息而不破壞珍貴的量子狀態。這一進展為量子糾錯等應用鋪平了道路，甚至更多。
大規模量子力學
ETH的物理學家們採用了一塊厚度略低於半毫米的高質量的藍寶石作為他們的機械系統。在它的頂部有一個薄薄的壓電換能器可以用來激發聲波，這些聲波在底部被反射，從而在板塊內延伸出一個明確的體積。激發行為是大量原子的集體運動，但它們是可以量化的（以被稱為聲子的能量單位），並且至少在原則上可以受到量子操作的影響，其方式與原子、光子和電子的量子狀態非常相似。
耐人尋味的是，有可能將機械諧振器與其他量子系統，特別是與超導量子比特連接。後者是微小的電子電路，其中的電磁能量狀態是量化的，它們目前是構建可擴展量子計算機的主要平台之一。與超導電路相關的電磁場使量子比特能夠與聲學共振器的壓電換能器耦合，從而與它的機械量子態耦合。
倒裝芯片粘接的混合裝置
倒裝芯片粘合的混合裝置的照片，聲學共振器芯片在超導量子比特芯片的頂部。底部芯片的長度為7毫米。
在這樣的混合型量子比特-共振器設備中，可以結合兩個世界的優點。具體來說，超導量子比特的高度發達的計算能力可以與聲學模式的穩健性和長壽命同步使用，後者可以作為量子存儲器或傳感器。然而，對於這樣的應用，僅僅耦合量子比特和諧振器的狀態是不夠的。例如，對諧振器中的量子狀態的直接測量會破壞它，使重複測量成為不可能。相反，需要的是以更溫和的、良好控制的方式提取機械量子態信息的能力。
非破壞性的路徑
Zhu Yiwen帶領的博士生Uwe von Lüpke、Yu Yang和Marius Bild與Branco Weiss研究員Matteo Fadel合作，並在學期項目學生Laurent Michaud的支持下，現在已經實現這種所謂的量子非破壞性測量的協議。在他們的實驗測量過程中，超導量子比特和聲學共振器之間沒有直接的能量交換。相反，量子比特的屬性取決於聲學共振器中的聲子數量，不需要直接”接觸”機械量子狀態–想想在美劇《生活大爆炸》中謝爾頓演奏過的特雷門琴（Theremin），這種樂器的音高取決於音樂家的手的位置，而不需要與樂器進行物理接觸。
創建一個混合系統，其中諧振器的狀態反映在量子比特的頻譜中，是非常具有挑戰性的。對於量子狀態在量子比特和諧振器中能維持多長時間，才會因外界的不完善和擾動而消失，有着嚴格的要求。因此，該團隊的任務是推動量子比特和諧振器量子狀態的壽命。通過一系列的改進后他們成功了，包括仔細選擇所使用的超導量子比特的類型，並將混合裝置封裝在一個超導鋁腔中以確保嚴密的電磁屏蔽。
在需要了解的基礎上提供量子信息
在成功地將他們的系統推入所需的操作體系（被稱為”強色散體系”）之後，該團隊能夠在用不同的振幅刺激聲學共振器，然後溫和地提取其聲子數量分佈。此外，他們展示了一種方法，可以在一次測量中確定共振器中的聲子數量是偶數還是奇數–一種所謂的奇偶性測量–而不需要了解關於聲子分佈的任何其他信息。獲得這種非常具體的信息，但沒有其他信息，在一些量子技術應用中是至關重要的。例如，奇偶性的變化（從奇數到偶數的轉變或反之亦然）可以表明一個錯誤已經影響到了量子態，需要進行糾正。當然，這裡至關重要的是，被糾正的狀態不被破壞。
然而，在實施這種糾錯方案之前，有必要進一步完善混合系統，特別是要提高操作的保真度。但是，到目前為止，量子糾錯還不是地平線上的唯一用途。在科學文獻中，有大量令人興奮的理論建議，用於量子信息協議以及基礎研究，這些建議得益於聲學量子態駐留在大質量物體中的事實。例如，這為探索大型系統極限下的量子力學範圍以及利用機械量子系統作為傳感器提供了獨特的機會。