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量子声波为更强大的传感器打开了大门
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/3/1

量子电路实验中使用的声波器件的阵列。明亮的紫色部分是设备的活动部分。图片来源:凯文·萨辛格(kevin j. satzinger)


在过去的十年中,科学家们在基于奇异的量子力学规则构建和控制系统的能力方面取得了巨大飞跃,该规则描述了亚原子级粒子的行为。


但是,挑战在于如何使精密的量子系统与机械系统(任何带有运动部件的系统)完美协作,而这是许多现有技术的基础。


首先,芝加哥大学分子工程研究所和阿贡国家实验室的科学家们建立了一个机械系统-一个用于声波的微小“回声室” -通过将其连接到量子,可以在量子水平上对其进行控制电路。该突破将于11月21日发表在《自然》杂志上,这一突破可能会将量子技术的应用范围扩展到新的量子传感器,通信和存储领域。


主要研究作者安德鲁·克莱兰德(andrew cleland),分子工程创新与企业高级教授约翰·a·麦克莱恩(john a. maclean sr)和阿贡大学的高级科学家说:“使这两种技术相互交流是所有量子应用的关键的第一步。”国家实验室。“通过这种方法,我们已经实现了对机械系统的量子控制,其水平远远超过了以前。”


克莱兰德说,尤其是,人们对集成量子和机械系统非常感兴趣,以便制造出极其精确的量子传感器,以检测微小的振动或与单个原子相互作用。


他说:“许多检测物体的技术都依赖于感应力和位移,即运动。” “这些传感器在您要测量某物的任何类型的应用中都起着根本性的作用。而机械系统最容易构建且最灵敏,因此人们一直对将其达到量子极限感兴趣。” (例如,机械传感器位于检测重力波的系统的核心,即时空结构中的波动,使我们可以“看到”黑洞在整个宇宙中碰撞。)


cleland的研究部分集中在量子电路上,他想将这些电路中的一个连接到产生表面声波的设备上,该表面声波是沿着固体材料块的表面传播的微小声波,例如在整个表面上移动的波纹池塘 这种现象在手机,车库门开启器和无线电接收器等日常设备中起着关键作用。


一个关键的突破是在不同种类的材料上分别构建两个系统,然后将它们连接在一起。这样一来,团队就可以优化每个组件,并且仍然可以相互交流。两者都必须保持非常非常冷-仅比绝对零高十分之一度。


科学家很兴奋,因为这为他们提供了一个在量子水平上进行声音实验的平台。


克莱兰德说:“这种特殊的结果打开了大门,使人们能够用光已经可以完成很多事情,” “声音的移动速度比光慢100,000倍,这使您有更多的时间去做事情。例如,如果将量子信息存储在内存中,则它在声音中的存储时间比在光中的存储时间要长得多。”


他说,关于声波在量子领域中的行为,有许多根本未解决的问题,而且该系统可以为科学家提供一个解决这些问题的平台。


该技术还可以为量子“翻译器”指明方向,该“翻译器”将允许跨越任何距离的量子通信。克莱兰德小组工作的电子原子只能在非常低的温度下工作和通讯。量子声学可以使这些电路将量子信息转换为光信号,然后可以在室温下以远距离进行通信。克莱兰德说,声波装置有可能构成这种系统的基础,这种系统被称为量子中继器。


第一作者是现年在google任职的18岁的kevin satzinger博士。论文的共同作者包括assoc。david schuster教授和david awschalom教授,以及博士后研究员audrey bienfait和etienne dumur;钟中鹏,张洪深,格雷格·皮尔斯,周铭汉,乔尔·格雷贝尔,里斯·波维和山姆·怀特利;还有本·十一月(ben november)和伊凡·古铁雷斯(ivan gutierrez)(均为ab'18)的本科生。


由耶鲁大学的罗伯特·舒尔科普夫(robert schoelkopf)领导的同一版《自然》杂志的另一项研究也报告了单声子激发的产生。这组作者说,两者合计,为存储量子信息开辟了一条新途径。


这些设备是在ime的pritzker纳米制造工厂中制造的。


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