首个机械量子比特问世，量子计算迎来“蒸汽朋克”时代

在量子计算领域，科学家们刚刚实现了一个令人振奋的突破：首次成功制造出机械量子比特（Mechanical Qubit）。

这项由瑞士联邦理工学院团队完成的创新成果，让人不禁联想到 20 世纪早期那些采用机械开关的计算机，为量子计算开启了一个充满复古未来感的“蒸汽朋克”新时代。

近日，相关论文以《机械量子比特》（A mechanical qubit）为题发表在Science上[1]。

瑞士联邦理工学院博士生 Yu Yang 是第一作者，研究助理伊戈尔·克拉达里奇（Igor Kladarić ）是共同一作兼共同通讯作者，助理教授 Yiwen Chu 担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Science）

作为量子计算机的核心组件，量子比特具有一个独特的特性。它可以同时处于 0、1 或两者的叠加状态。

一般来说，大多数量子计算机都依赖于超导金属电路、单个离子或光子制成的量子比特。

（来源：UWE VON LÜPKE/苏黎世联邦理工学院）

这些传统的量子比特通常利用电子态的叠加来工作，例如两种不同的电荷水平来实现。

然而，它们的短板在于量子相干时间较短，复杂而脆弱的量子态容易衰减，严重限制了它们的实际应用。

正是基于延长量子相干时间的考虑，科学家们开始探索制造机械量子比特的可能性。

Yu Yang 对媒体表示，这是首次实现“完全可操作的机械量子比特”。这种新型量子比特依赖于振动态的叠加，理论上可以获得比电磁量子比特更长的相干时间。

西班牙光子科学研究所的凝聚态物理学家阿德里安·巴赫托尔德（Adrian Bachtold）对媒体表示：“多年来，人们一直认为用机械系统制造量子比特是不可能的。”

由此可见，制造机械量子比特的确困难重重。首要难题是，如何让装置保持尽可能的静止。由于量子不确定性，即使在绝对零度下，微小物体也永远不会完全静止。

这一难题在 2010 年获得了突破，物理学家们成功将一个以 6 千兆赫频率振动的“微型跳水板”冷却到其最低能量基态。他们甚至能够通过一次提供一个声子的能量，让这个装置逐步达到其后续几个能态。

更具挑战性的是机械振子的能量状态问题。机械振子具有“谐波”能量状态，这些状态像梯子的横档一样均匀分布。

这使得人们无法将其中的两个状态单独隔离出来形成量子比特，因为激发一个状态到更高能级的刺激，也会同时将该更高能级推向下一个更高能级，如此循环往复。

正如瑞士联邦理工学院的物理学家 Yiwen Chu 所说：“关键挑战在于能否让能级间距足够不均匀，以便我们能够单独控制其中两个能级，而不影响其他能级。”

为了克服这一难题，研究人员采用了一个巧妙的双组件系统设计。

他们首先在一片 400 微米厚的蓝宝石晶体上放置了一个微小的氮化铝圆顶，这个机械谐振器能够对振荡电压作出响应，在材料中产生振动。

这些振动会在晶体表面之间来回反弹，并能在衰减前持续数亿个周期。这种持久的振动特性，为实现长相干时间提供了可能。

在系统的另一个关键组件中，研究人员在相似的蓝宝石晶体上制作了配备微型天线的超导量子比特。

通过将这些晶体叠放在一起，使天线位于氮化铝穹顶上方，超导量子比特中的电流振荡可以有效激发机械振子中的振动。

另一个关键组件由一个超导量子比特组成，它配备了一个微型天线，放置在一个类似的蓝宝石晶体上。

物理学家将晶体堆叠起来，使天线位于氮化铝圆顶上方，超导量子比特中的电流振荡可以有效激发机械振子中的振动。

（来源：资料图）

重要的是，研究人员可以调节超导量子比特的振荡电流，使其频率与机械振子的频率略有偏差。

这导致超导量子比特的量子态与机械振子的量子态轻微融合，形成一个单一系统，其中混合态的能量不再均匀分布。

这种精心设计的系统产生了所需的“非谐波性”，使他们能够将融合系统的两个最低能态隔离出来，作为量子比特的 0 和 1。

实验结果显示，这种机械量子比特的相干时间约为 200 微秒，明显优于普通超导量子比特约 100 微秒的相干时间。

虽然目前最好的超导量子比特相干时间记录约为 1 毫秒，但这种新型机械量子比特仍展现出了巨大潜力。

来自法国国家科学研究中心和法国波尔多大学的研究主任法比奥·皮斯托莱西（Fabio Pistolesi）指出，机械量子比特系统可能带来令人兴奋的发展前景。

理论上，“如果将寿命最长的机械振子与最佳量子比特结合，就有可能制造出具有更长相干时间的机械量子比特”。

这项突破性成果尽管在保真度方面（目前仅为 60%，而最佳量子比特可达 99% 以上）还需要进一步提升，但已经展现出独特的应用前景。

特别是在探测引力波等其他量子比特难以感知的微弱力场方面，机械量子比特可能会发挥重要作用。

当前，该课题组正在推进下一阶段的工作，试图使用两个机械量子比特执行简单的逻辑运算。如果成功，将为量子计算开辟一个全新的技术方向。

展望未来，机械量子比特在量子计算和量子传感领域都显示出巨大潜力。正如 Yu Yang 所说：“我们的系统能够测量由引力波等因素引起的千兆赫频率的机械力，这在当前还是一个全新的探索领域。”

通过持续改进设计和材料，研究团队希望能够显著提升设备性能，为量子计算的发展提供新的可能性。

参考资料：

1.Yang,Y. et al. A mechanical qubit.Science386, 6723,783-788(2024). https://doi.org/10.1126/science.adr246

https://www.science.org/content/article/first-mechanical-qubit-quantum-computing-goes-steampunk

https://spectrum.ieee.org/mechanical-qubit

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