纳米机械系统实现量子开关

雷根斯堡大学的物理学家将大分子碳纳米管的振动耦合到微波腔中，从而创建了一种新颖且高度小型化的光机械系统。AndreasK.Hüttel博士的团队通过使用电荷的量化（即由单个电子携带）作为强大的放大机制来实现这一目标。他们的发现发表在4月2日的《NatureCommunications》上。它们为将完全不同的量子技术（例如，电子自旋量子位和超导量子位）组合到一个设备中迈出了重要的一步。

通常，将诸如碳纳米管的大分子的运动耦合到微波是困难的。为什么？因为以GHz频率工作的量子计算或腔量子电动力学设备中使用的电磁波长在毫米范围内。典型的纳米管器件既可用于捕获已知量子态的电子，又可作为振动谐振器使用，其长度小于一微米，振动幅度低于纳米。由于尺寸的这种不匹配，纳米管的运动在很大程度上没有改变微波腔的电磁场。由标准光机械理论预测的耦合是最小的。

尽管如此，出于许多原因，在不将纳米管驱动至较大的振动幅度的情况下实现这种耦合并对其进行控制仍然是一个有吸引力的想法。纳米管是一种出色的弦谐振器，可以长时间存储能量。它的振动可用于在根本不同的自由度之间转换量子信息。单捕获电子和超导微波电路都是量子计算架构的热门候选。

雷根斯堡的实验（作为开放获取的文章发表）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10,倍。这是通过使用所谓的量子电容来实现的：电流由离散的电子承载，这意味着对非常小的电容器（例如纳米管）的充电不会连续发生，而是分步进行。通过在阶梯状曲线上选择一个工作点，光机耦合是可控的，并且可以快速打开和关闭。

“我们实现了一个所谓的分散耦合的光机械系统，一方面由于机械部分的小型化和单电子效应而令人兴奋，但另一方面也是众所周知的，因为在更大的（直到宏观尺度）光机械系统上存在着大量的理论和实验研究，”目前正在芬兰的阿尔托大学（AaltoUniversity）进行研究的Hüttel博士说，“光机械相互作用可以用来冷却振动，以高度敏感的方式检测振动，放大信号，甚至任意制备量子态。我们的研究结果表明，在不久的将来，弦状纳米管振动的量子控制是可以达到的。这使得它作为一种量子开关非常有吸引力。”

论文标题为《Quantumcapacitancemediatedcarbonnanotubeoptomechanics》。

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