量子電路實驗中使用的聲波器件的陣列。明亮的紫色部分是設備的活動部分。圖片來源：凱文·薩辛格（Kevin J. Satzinger）

在過去的十年中，科學家們在基于奇異的量子力學規(guī)則構建和控制系統(tǒng)的能力方面取得了巨大飛躍，該規(guī)則描述了亞原子級粒子的行為。

但是，挑戰(zhàn)在于如何使精密的量子系統(tǒng)與機械系統(tǒng)（任何帶有運動部件的系統(tǒng)）完美協(xié)作，而這是許多現(xiàn)有技術的基礎。

首先，芝加哥大學分子工程研究所和阿貢國家實驗室的科學家們建立了一個機械系統(tǒng)-一個用于聲波的微小“回聲室” -通過將其連接到量子，可以在量子水平上對其進行控制電路。該突破將于11月21日發(fā)表在《自然》雜志上，這一突破可能會將量子技術的應用范圍擴展到新的量子傳感器，通信和存儲領域。

主要研究作者安德魯·克萊蘭德（Andrew Cleland），分子工程創(chuàng)新與企業(yè)高級教授約翰·A·麥克萊恩（John A. MacLean Sr）和阿貢大學的高級科學家說：“使這兩種技術相互交流是所有量子應用的關鍵的第一步�！眹�家實驗室�！巴ㄟ^這種方法，我們已經(jīng)實現(xiàn)了對機械系統(tǒng)的量子控制，其水平遠遠超過了以前。”

克萊蘭德說，尤其是，人們對集成量子和機械系統(tǒng)非常感興趣，以便制造出極其精確的量子傳感器，以檢測微小的振動或與單個原子相互作用。

他說：“許多檢測物體的技術都依賴于感應力和位移，即運動。” “這些傳感器在您要測量某物的任何類型的應用中都起著根本性的作用。而機械系統(tǒng)最容易構建且最靈敏，因此人們一直對將其達到量子極限感興趣�！� （例如，機械傳感器位于檢測重力波的系統(tǒng)的核心，即時空結構中的波動，使我們可以“看到”黑洞在整個宇宙中碰撞。）

Cleland的研究部分集中在量子電路上，他想將這些電路中的一個連接到產(chǎn)生表面聲波的設備上，該表面聲波是沿著固體材料塊的表面?zhèn)鞑サ奈⑿÷暡ǎ�例如在整個表面上移動的波紋池塘 這種現(xiàn)象在手機，車庫門開啟器和無線電接收器等日常設備中起著關鍵作用。

一個關鍵的突破是在不同種類的材料上分別構建兩個系統(tǒng)，然后將它們連接在一起。這樣一來，團隊就可以優(yōu)化每個組件，并且仍然可以相互交流。兩者都必須保持非常非常冷-僅比絕對零高十分之一度。

科學家很興奮，因為這為他們提供了一個在量子水平上進行聲音實驗的平臺。

克萊蘭德說：“這種特殊的結果打開了大門，使人們能夠用光已經(jīng)可以完成很多事情，” “聲音的移動速度比光慢100,000倍，這使您有更多的時間去做事情。例如，如果將量子信息存儲在內(nèi)存中，則它在聲音中的存儲時間比在光中的存儲時間要長得多。”

他說，關于聲波在量子領域中的行為，有許多根本未解決的問題，而且該系統(tǒng)可以為科學家提供一個解決這些問題的平臺。

該技術還可以為量子“翻譯器”指明方向，該“翻譯器”將允許跨越任何距離的量子通信�？巳R蘭德小組工作的電子原子只能在非常低的溫度下工作和通訊。量子聲學可以使這些電路將量子信息轉(zhuǎn)換為光信號，然后可以在室溫下以遠距離進行通信�？巳R蘭德說，聲波裝置有可能構成這種系統(tǒng)的基礎，這種系統(tǒng)被稱為量子中繼器。

第一作者是現(xiàn)年在Google任職的18歲的Kevin Satzinger博士。論文的共同作者包括Assoc。David Schuster教授和David Awschalom教授，以及博士后研究員Audrey Bienfait和Etienne Dumur；鐘中鵬，張洪深，格雷格·皮爾斯，周銘漢，喬爾·格雷貝爾，里斯·波維和山姆·懷特利；還有本·十一月（Ben November）和伊凡·古鐵雷斯（Ivan Gutierrez）（均為AB'18）的本科生。

由耶魯大學的羅伯特·舒爾科普夫（Robert Schoelkopf）領導的同一版《自然》雜志的另一項研究也報告了單聲子激發(fā)的產(chǎn)生。這組作者說，兩者合計，為存儲量子信息開辟了一條新途徑。

這些設備是在IME的Pritzker納米制造工廠中制造的。