用於量子電路實驗的一種聲波裝置陣列。亮紫色部分是設備中功能活躍的部分。

量子力學，是一門描述亞原子尺度上粒子特性與表現的學科。過去十年間，科學家們基於量子力學中奇異的物理法則，力圖創建相應的、便於控制的系統裝置，並已經取得了長足的進步。然而，物理學家們面臨的巨大挑戰之一是如何讓精密的量子系統更好地與機械系統——任何帶有運動部件的系統——嵌合聯動運行，因爲機械系統是目前許多現有科技的基礎。

據《自然》雜誌11月21日刊發的一篇研究論文稱，美國芝加哥大學（University of Chicago）分子工程研究所和阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的科學家們創建了一個機械系統——一個用於聲波的微型“迴音室”——通過連接到量子電路便可以在量子層面上對其進行控制。這一最新的技術突破或將讓量子技術的觸角延伸到製造新型量子傳感、量子通信和量子存儲設備上。

該項目的首席研究員、芝加哥大學分子工程創新與創業教授、阿爾貢國家實驗室資深科學家安德魯·克萊蘭（Andrew Cleland）介紹道：“讓這兩種技術發生交互是所有量子應用項目最爲關鍵的第一步。通過這種方法，我們實現了對機械系統的量子控制，其水平遠遠超出了以往的水平。”克萊蘭指出，業界對量子和機械兩種系統的集成特別感興趣，一直在嘗試製造出超級精確的量子傳感器，從而能夠探測到原子層面最微弱的振動或與單個原子發生相互作用。

克萊蘭繼續介紹道：“一方面，許多（當前的）探測技術依賴於對力和位移——運動的感知，而傳感器在任何用於探測的應用設備中都扮演着重要的角色。另一方面，機械系統是最容易製造，也是最敏感的，比如，機械傳感器就是引力波探測系統的核心。所以長期以來，人們都抱有極大的興趣將它們的性能擴展提升到量子層面的極限。”

克萊蘭研究工作的一部分主要集中在量子電路領域，他試圖把這樣的電路連接到一個產生表面聲波的裝置上——表面聲波是一種沿一塊固體材料表面傳播的微小聲波，與池塘水面流動的漣漪相類似。這一現象在手機、車庫自動門開關和無線電接收器等日常設備中起着關鍵作用。

該研究小組在該領域中一個關鍵的技術突破是，成功地在不同類型的材料上分別創建兩種系統，然後再將它們連接在一起。這讓他們既能對每個組件進行優化，又能允許組件之間進行通信。前提條件是兩者都必須保持超級低的溫度——僅僅比絕對零度高出萬分之一度。科學家們對這一進展感到非常興奮，因爲這給他們提供了一個在量子層面上進行聲波實驗的平臺。

另外，這項技術或將爲量子“轉換器”的誕生指明方向，從而讓相距任何距離的量子通信變爲現實。克萊蘭說，他們的帶電原子只能在極低的溫度下發揮作用和進行交互，而量子聲學可以通過這些電路將量子信息轉換成光學信號，然後在室溫下進行遠距離通信。聲波裝置有可能將成爲製造“量子中繼器”（quantum repeater）系統的基礎。

編譯：Jonathan 審稿：三水 責編：張夢

期刊來源：《自然》

原文鏈接：https://phys.org/news/2018-11-quantum-doors-powerful-sensors.html

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