河北
哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员首次展示了单个振动能量量子与单个原子自旋的相互作用，为以声音（而非光或电）作为信息载体的量子技术铺平了道路。研究结果发表在《自然》上。
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在电气工程系 Tiantsai Lin 讲席教授马尔科·隆查尔的带领下，研究人员在钻石中单个色心自旋量子比特的周围，构建了一个纳米级机械谐振器。这些色心是钻石晶体结构中的原子缺陷，充当量子存储器，能够存储量子信息。研究人员的新系统能够提供足够强的自旋-声子相互作用，用于量子信息存储——而这一点正是该领域迄今面临的关键挑战。
“实验的核心是声子——声音的最小单位，”Lončar说。“当我们听音乐时，需要无数个声子协同工作来让我们的耳膜动起来，甚至让我们在舞池里转起来。但量子比特要敏感得多：单个声子就足以改变它们的量子态——激发它们，或者，就像在我们的实验中那样，帮助它们松弛下来。”
机械振动，例如吉他弦的振动，体积比同频率的电磁谐振腔小得多，却能长时间“鸣响”。长寿命和小尺寸相结合，使声子特别有希望成为量子信息载体，或作为互连器件，连接未来量子芯片上的量子存储器、处理器和传感器。
“大家都知道，包括超导量子比特、量子点、固态缺陷等在内的许多量子系统，都会与声子发生强烈相互作用，”格雷厄姆·乔是论文第一作者、哈佛前研究生，他解释说。“所以说量子声学有点像‘通用量子总线’，很有前景，可以把各种不同的量子系统连成混合系统。”
只要一个声子就能改变原子量子比特的状态，这时候，自旋也会成为对周围机械环境特别灵敏的探针。可以用自旋去“听”器件的量子噪声，然后测量极微小的力、应力或温度变化。这可能会带来精密传感之类的应用。
这些结果表明，我们能够对固体中的量子缺陷进行新的控制，让自旋-机械相互作用更接近完全量子相干的临界点，也就是让原本脆弱的量子系统保持稳定的能力。
乔说：“这个实验既有力地展示了探测单个原子周围环境的新工具，也是朝着实用量子声学器件迈出的有意义的一步。”
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更多相关信息：Graham Joe等人：基于单个色心的珀塞尔增强自旋-声子耦合，《自然》（2026年）。DOI: 10.1038/s41586-026-10495-7
本文来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院
本文最初发布于Phys.org。
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