在过去十年中，科学家们在机械系统中实现量子现象方面取得了显著进展。15年前看似不可能的事情，如今已成为现实，研究人员成功地在宏观机械物体中创造了量子态。
通过将这些机械振子与光子耦合——被称为“光力学系统”——科学家们能够将它们冷却至接近量子极限的最低能级，进一步“挤压”它们以减少振动，并使它们相互纠缠。这些进展为量子传感、量子计算中的紧凑存储、量子引力的基本测试，甚至寻找暗物质开辟了新的可能性。
为了在量子状态下有效操作光力学系统，科学家们面临一个挑战。一方面，机械振荡器必须与环境适当隔离，以减少能量损失；另一方面，它们必须与其他物理系统（如电磁谐振器）良好耦合以进行控制。
要实现这种平衡，需要最大化振荡器的量子态寿命，而这种寿命受到环境热波动和振荡器频率不稳定性的影响，这在该领域被称为“退相干”。从引力波探测器中使用的巨大镜子到高真空中的微小捕获粒子，这是各种系统中持续存在的挑战。与超导量子比特或离子阱等其他技术相比，当前的光电和机电系统仍显示出更高的退相干率。
现在，EPFL的Tobias J. Kippenberg实验室的科学家们已解决此问题，开发了一种超导电路光力学平台，能够展示超低量子退相干，同时保持较大的光力学耦合，从而实现高保真的量子控制。这项研究最近发表在《自然物理学》杂志上。
“简而言之，我们展示了在机械振荡器中实现的最长量子态寿命，可以作为量子计算和通信系统中的量子存储组件，”项目负责人博士生Amir Youssefi表示。“这是一个巨大的成就，影响了量子物理、电子工程和机械工程领域的广泛受众。”
这项突破的关键在于“真空间隙鼓面电容器”，这是一种由悬浮在硅衬底沟槽上的薄铝膜制成的振动元件。电容器作为振荡器的振动元件，同时形成谐振微波电路。
通过一种新颖的纳米制造技术，该团队显著减少了鼓面谐振器的机械损耗，实现了前所未有的仅20 Hz的热退相干率，相当于7.7毫秒的量子态寿命，这是机械振荡器中最长的。
热诱导退相干的显著减少使研究人员能够利用光机械冷却技术，从而在基态中获得令人印象深刻的93%的量子态占用保真度。此外，该团队还实现了运动零点波动以下的机械挤压，其值为-2.7 dB。
“这种控制水平使我们能够观察到机械压缩态的自由演化，在2毫秒的延长时间内保持其量子行为，这得益于异常低的纯失相率仅为0.09 Hz的机械振荡器，”参与研究的Shingo Kono说。
研究小组的另一位成员Mahdi Chegnizadeh表示：“这种超低量子退相干不仅提高了量子控制和宏观机械系统测量的保真度，而且同样有利于与超导量子比特的接口，并将系统置于适合量子引力测试的参数范围内。与超导量子比特相比，更长的存储时间使该平台成为量子存储应用的理想候选者。”
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希望本篇文章《机械振荡器技术的巨大飞跃》能对你有所帮助！
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