微米和纳米科技材料

最新成果:碳纳米管振动与微波成功耦合,迈向纳米量子交换机时代

雷根斯堡大学物理学家将一种大分子碳纳米管的振动,耦合到微波腔中,创造了一种新颖高度小型化的光学机械系统。安德烈亚斯·K·胡特尔博士团队通过使用电荷的量子化,即电荷由单电子携带,作为一种强大的放大机制,实现了这一点,其研究发现发表在《自然通讯》期刊上。它们代表了将完全不同的量子技术结合在一个设备中的重要一步(例如电子自旋量子比特和超导量子比特)。

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正常情况下,将碳纳米管等大分子的振动与微波耦合是很困难的。为什么?因为在量子计算或腔量子电动力学设备中使用的电磁波长,工作在GHz频率,在毫米范围内。一个典型的纳米管装置,既可用于捕获已知量子态的电子,也可用作振动谐振器,长度不到一微米,振动幅度低于一纳米。由于尺寸的不匹配,纳米管的运动,并不会对微波腔的电磁场产生太大影响,用标准光学力学理论预测耦合是最小的。

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尽管如此,实现这样的耦合并控制它,而不会将纳米管驱动到很大的振动幅度,从许多方面来说都是一个有吸引力的想法。纳米管是一种优秀的弦谐振器,可以长时间储存能量;它的振动可以用来在根本不同的自由度之间转换量子信息。单阱电子和超导微波电路都是量子计算体系结构的热门候选者。研究表明,与简单的几何预测相比,振动和电磁场这两个系统之间的相互作用,可以放大到原来的10000倍。

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这是通过使用所谓的量子电容来实现:电流由离散的电子携带,这意味着给非常小的电容器(如纳米管)充电不是连续发生的,而是分步骤进行。通过在阶跃曲线上选择工作点,实现了光机耦合的可控性,并可快速通断。目前正在芬兰阿尔托大学从事研究的胡特尔博士说:我们实施了一种所谓色散耦合光学机械系统,一方面,由于机械部分的微型化和单电子效应,该系统新颖而令人兴奋。

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另一方面,由于存在大量关于较大(最大到宏观尺度)的光学机械系统理论和实验研究,这一点是众所周知的。光机相互作用可以用来冷却振动,以高灵敏度的方式检测振动,放大信号,甚至可以任意制备量子态。研究结果表明,在不久的将来,可以实现对弦状纳米管振动的量子控制。这使得它作为一种量子交换机非常有吸引力,结合了非常不同的量子现象。

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博科园|研究/来自:雷根斯堡大学

参考期刊《自然通讯》

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