基于微机械臂的新型量子网络

近年来，纳米机械振荡器已经成为量子信息应用的一个有前景的平台。工程光机械谐振器的量子纠缠将为可扩展量子网络提供一条令人信服的途径。图尔夫特大学和维也纳大学的研究人员已经观察到了这种纠缠，并在本周的《自然Nature》杂志上发表了他们的研究结果。

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上图所示是艺术家对两个机械振荡器的艺术化创作，这两个机械振荡器通过光干涉仪内的光场进入量子纠缠态。这两个系统表现出比经典的可能的相关性强，通常称为远距离的幽灵作用。这表明工程系统之间的纠缠有助于直接实现量子网络。图片来源：代尔夫特理工大学纳米科学研究所

振动一般会表现为波的形式，但量子力学也预测波运动由称为声子的能量的微小离散包组成。2017年9月，图尔夫特大学和维也纳大学的研究团队展示了利用激光脉冲对这些振动进行量子控制的新水平。他们创造了单独的声子激发，并证实了他们的基本粒子方面。这些单声子的产生和验证是走向机械运动的全光学量子控制的重要步骤。

现在，他们通过在“电信”光子介导的两个这样的微机械谐振器之间产生纠缠，研究已经迈出了重要的一步。这种纠缠被称为“两个物体之间的远距离的行为”，这只能用量子理论来描述。

“纠缠对于量子通信网络来说是一个至关重要的资源，”图尔夫特大学纳米科学研究所的Simon Gröblacher教授说。“特别重要的是在远程量子存储器之间分配纠缠的能力。以前的实现利用了嵌入在空腔中的原子这样的系统，但是在这里，我们介绍了一种纯纳米加工的固态平台，它是以芯片为基础的微谐振器的形式——同时限制光和振动的小硅束。通过将单个机械量子的控制扩展到多个器件，我们展示了两个芯片之间的20微米的微机械器件之间的纠缠。”

所用的器件由微米尺寸的硅束组成。它们以这样的方式被图案化，它们的振动可以“写入”穿过它们的激光脉冲，反之亦然。振动光束由80亿个原子组成，每个都是一个细胞的大小，因此可以用放大镜或显微镜很容易地看到。

“纳米机械光学器件是一个非常有前途的集成声子量子信息处理平台，因为该系统的参数，如光转换波长和量子存储时间，可以通过设计自由定制。例如，我们故意选择设备的光波长在电信频段，这通常用于高带宽互联网的分布。因此，我们表明，量子网络可以利用传统的光纤结合我们的设备来构造，”来自维也纳大学的Sungkun Hong博士说。

另一个关键优势是它们的器件可以与其他固态量子系统一起集成在芯片上。例如，作者预计，它们的设备可能与超导量子电路接口，并用作量子“以太网端口”，在电路和光信号之间传输量子信息。

“下一步将是建立一个由更多的波束组成的网络，在几百米甚至几百公里的范围内工作，使我们更接近于实现一个系统，而不是真正的量子应用。”Gröblacher教授说。“我们认为在今后几年将会实现这些应用，而且不会有根本性的障碍。”

原文来源：https://phys.org/news/2018-04-quantum-network-based-micromechanical.html（实验帮译）

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