記者近日從中國科技大學獲悉，中國科學院院士郭光燦領(lǐng)導的中科院量子信息重點實驗室在基于碳納米管的納米機電系統(tǒng)（NEMS）方面取得系列重要進展。該實驗室固態(tài)量子芯片組郭國平研究組與清華大學姜開利研究組等合作并成功實現(xiàn)了兩個串聯(lián)碳納米管諧振器的強耦合、碳納米管諧振器中兩個模式的強耦合，并利用這種耦合實現(xiàn)了聲子的相干操控。相關(guān)成果分別發(fā)表在國際權(quán)威雜志《納米快報》和《納米尺度》上。

碳納米管由于其良好的電學性能、優(yōu)異的力學性能，近年來被廣泛應用于納米機電系統(tǒng)的相關(guān)研究中，其在質(zhì)量、微力、氣體、位移等物理量的測量方面也具有廣闊的應用前景。特別地，碳納米管諧振器的機械模式和單分子磁體、單電子電荷以及自旋等物理量具有較強的耦合，可以用來探索納米尺度下的物理現(xiàn)象，是一種品質(zhì)優(yōu)良的量子傳感器件。

在量子信息領(lǐng)域，納米諧振器中的聲子可以保持較長的相干時間，可以保持相干進行遠距離的傳輸，是一種良好的飛行量子比特，被認為是量子數(shù)據(jù)總線的候選者之一。圍繞探索聲子作為量子數(shù)據(jù)總線這一目標，郭國平研究組開展了多機械振子長程耦合方面的研究，并在碳納米管機械振子上首次實現(xiàn)了兩個串聯(lián)機械振子的強耦合，同時也觀測到了兩個機械振子分別和量子點的強耦合。該新型耦合機械振子器件為研究電子-聲子相干相互作用、電子長程耦合以及電子糾纏態(tài)提供了新的平臺。利用聲子作為飛行量子比特也為量子數(shù)據(jù)總線研究提供了新思路。

在實現(xiàn)了聲子的長程耦合、長程傳遞的基礎(chǔ)上，量子數(shù)據(jù)總線的研究還需要實現(xiàn)對聲子的相干操控。機械振動高階模式的研究對超靈敏傳感器、聲子的相干操控具有重要意義。目前國際上的多機械模式耦合的相關(guān)研究主要集中在百千赫茲的低頻諧振器，而要實現(xiàn)更靈敏的傳感器，實現(xiàn)更快的聲子操控，需要進一步提高諧振器的諧振頻率。

針對高頻聲子操控的難題，郭國平研究組發(fā)現(xiàn)單根碳納米管中不同方向的振動模式都可以工作在百兆赫茲量級，這兩個模式可以通過額外加入一個參量驅(qū)動來進行耦合，且通過調(diào)節(jié)驅(qū)動功率可以實現(xiàn)從弱耦合到強耦合的線性調(diào)控，這與理論計算的結(jié)果完全一致。研究組通過控制驅(qū)動微波的波形實現(xiàn)了機械振動中聲子的相干拉比操作，觀測到10次以上的拉比震蕩，是目前實驗上聲子操作次數(shù)的最大紀錄，此外拉比操作的頻率大于500千赫茲，比此前的相關(guān)報道高出兩個數(shù)量級。該研究成果發(fā)表在國際權(quán)威雜志《納米快報》上。

該系列工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的資助。 “通過一系列的手段將機械振動冷卻到量子基態(tài)之后，對聲子的相干操控將在量子傳感、量子信息領(lǐng)域具有廣闊的應用前景?！惫鶉秸f。