一个由36个机械谐振器设备组成的平台。纳米谐振器被制造并电连接在该阵列的一个部分中。然后将整个碎片放置在低温恒温器内进行测量。资料来源：ICFO

　　量子信息（QI）处理可能是技术发展的下一个游戏规则改变者，因为它提供了前所未有的计算能力、安全性和检测灵敏度。量子比特是量子信息的基本硬件元素，是量子计算机和量子信息处理的构建块，但关于哪种类型的量子比特实际上是最好的，仍然存在很多争论。

　　该领域的研究和开发正在以惊人的速度增长，以了解哪个系统或平台优于另一个系统或平台。仅举几例，超导约瑟夫森结、俘获离子、拓扑量子比特、超冷中性原子甚至钻石空位等多种平台构成了制造量子比特的可能性动物园。

　　到目前为止，只有少数量子比特平台被证明具有量子计算的潜力，标志着高保真控制门、简单的量子比特-量子比特耦合以及与环境的良好隔离的清单，这意味着足够长的一致性。

　　纳米机械谐振器可能是少数平台的一部分。它们是振荡器，如弹簧和弦（例如吉他），在驱动时，根据驱动器的强度产生谐波或非谐波声音。但是，当我们将纳米谐振器冷却到绝对零度温度时会发生什么？

　　振荡器的能级被量化，谐振器以其特有的零点运动振动。零点运动源于海森堡不确定性原理。换句话说，谐振器即使在基态时也能保持运动。如果谐振器的量子化能级间隔不均匀，则可以实现机械量子比特。

　　挑战在于如何在量子体系中保持足够大的非线性效应，其中振荡器的零点位移很小。如果实现了这一点，那么该系统可以通过在两个最低量子能级之间操纵它来用作量子比特，而不会将其驱动在更高的能量状态。

　　多年来，人们对使用机械纳米谐振器实现量子比特系统非常感兴趣。2021年，法比奥·皮斯托莱西（波尔多-CNRS）、安德鲁·克莱兰德（芝加哥大学）和ICFO教授阿德里安·巴赫托尔德（Adrian Bachtold）基于超强耦合状态下耦合到双量子点的纳米管谐振器，建立了机械量子比特的坚实理论概念。

　　这些理论结果证明，这些纳米力学谐振器确实可以成为量子比特的理想候选者。为什么？因为它们已被证明具有较长的相干时间，这是量子计算的绝对“必须”。

　　考虑到有一个理论框架可以使用，现在的挑战是实际用机械谐振器制造量子比特，并找到适当的条件和参数来控制系统中的非线性。

　　研究小组制造了一个长度约为1.4微米的悬浮纳米管装置，其极端钩在两个电极的边缘上。 他们定义了一个量子点，它是振动纳米管上的两能级电子系统，通过在悬浮纳米管的两端静电创建隧道结。

　　然后，通过调节栅电极上的电压，他们一次只允许一个电子流到纳米管上。然后将纳米管的机械运动与单电子隧穿状态下的单电子耦合。这种机电耦合对机械系统产生了不和谐。

　　随后，他们将温度降低到mK（milikelvins，几乎绝对零度），并进入超强耦合状态，其中纳米管上的每个附加电子将纳米管的平衡位置从其零点振幅移开。在零点运动上振幅仅为13倍的情况下，他们能够注意到这些非线性振动。

　　结果令人惊讶，因为其他谐振器中存在的振动冷却到量子基态，仅在振幅大约是其零点运动的106倍时是非线性的。

　　这种新机制显示出非凡的物理学，因为与预期相反，随着振动冷却到接近基态，不和谐性增加。这与迄今为止在所有其他机械谐振器中观察到的情况正好相反。正如第一作者Chandan Samanta所说，“当研究人员第一次开始研究纳米机械谐振器时，一个反复出现的问题是，是否有可能在量子基态的振动中实现非线性。

　　“该领域的一些领先研究人员认为，由于技术限制，这将是一项具有挑战性的壮举，直到现在，这种观点仍然是公认的范式。在这种情况下，我们的工作代表了重大的概念进步，因为我们证明了量子体系中的非线性振动确实是可以实现的。

　　“我们相信，通过接近量子基态，非线性效应可以进一步增强，但我们受到当前低温恒温器温度的限制。我们的工作为在量子体系中实现非线性振动提供了路线图。

　　与迄今为止在其他机械谐振器中观察到的相反，研究小组发现了一种方法来提高机械振荡器在其量子体系附近的不和谐性。这项研究的结果为机械量子比特甚至量子模拟器的未来发展奠定了基础。

　　正如Adrian Bachtell所说，“值得注意的是，我们进入了超强耦合状态，并在谐振器中观察到了强烈的不和谐。但是由于谐振器与一个量子点的耦合，阻尼率在低温下会变大。

　　“在未来针对猫态和机械量子比特的实验中，将纳米管振动耦合到双量子点将是有利的，因为它可以实现强大的非线性和长寿命的机械态。双量子点中电子产生的阻尼在低温下呈指数抑制，因此应该可以在低温下实现在纳米管中测量的10 Hz的阻尼率。

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