科学家制造了硅纳米级量子芯片叠层结构

美国科学家们为未来基于量子物理技术开发了一种关键的实验设备，可靠、紧凑、耐用、高效的声学设备可以利用机械运动来执行各种有用的任务，机械振荡器就是这样一个例子。例如，当被类似声音的力移动时，设备的组件开始围绕其原始位置来回移动。在手机、电脑和手表等无处不在的电子产品中，创建这种周期性运动是保持时间、过滤信号和感知运动的便捷方法。

美国科学家们试图将机械系统的好处带入神秘量子领域的极小范围，在这个领域中，原子以违反直觉的方式微妙地相互作用。为此，美国科学家们通过将微小的纳米机械振荡器与一种可以存储和处理量子位或量子位信息形式能量的电路耦合，展示了新的能力。利用该设备的量子位，科学家们可以操纵机械振荡器的量子态，产生各种量子力学效应，很快就可以增强先进计算和超精密传感系统。

“有了这个设备，我们可以构建基于机械系统的量子计算机和其他有用的量子设备，这是重要的一步。我们本质上是在寻求建造机械量子力学系统。”科学家们解释道。“为了防止杂质污染正在使用的敏感材料，我们利用了国家共享设施，在洁净室里工作，通过专门的设备，我们在两个硅计算机芯片上以纳米级的分辨率制造了硬件组件。然后，我们将两块芯片叠在一起，使芯片底部的组件与上半部分的组件相对，形成三明治式。在底部芯片上，我们设计了一个铝超导电路，形成了该设备的量子位。将微波脉冲发送到该电路中会产生光子（光粒子），从而在设备中编码一个量子位的信息。与传统的电子设备不同，传统的电子设备将比特存储为表示0或1的电压，量子机械设备中的量子位也可以同时表示0和1的加权组合。这是因为被称为叠加的量子力学现象，即一个量子系统同时存在于多个量子态中，直到系统被测量为止。”

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科学家们解释说：“现实在量子力学层面上的运作方式与我们对世界的宏观经验大不相同，顶部的芯片包含两个纳米机械谐振器，由悬浮的桥状纳米晶体结构形成，只有几十纳米长。这些晶体由压电混合金属材料制成。具有这种性质的材料可以将电力转换为运动，在这种装置的情况下，这意味着量子位元光子传递的电场被转换为一个称为声子的振动能量量子。”

这个系统同时存在于两种可能的状态中：第一种是可能的量子状态，表现是右侧振荡器振动，左侧振子静止，第二种可能的状态显示了占据左手振子的振动能量，该设备存在于两种可能状态的叠加态中，这意味着每个振荡器都在同时移动，并且在被测量之前不会同时移动。对系统的测量只会产生所描述的两个结果（括号内）中的一个：如果观察到左侧振荡器在振动，右振荡器必然静止，反之亦然。这说明了两个振荡器之间的纠缠：通过进行测量，只了解一个振荡器的运动信息，观察者还可以确定另一个振荡器的状态，而无需单独测量。

科学家们解释道：“就像光波被量化成光子一样，声波被量化成被称为声子的粒子，通过在我们的设备中组合这些不同形式的能量，我们创造了一种混合量子技术，利用了两者的优势。这些声子的产生使得每一个纳米机械振荡器都像一个寄存器一样工作，寄存器是计算机中可能最小的数据存储元件，由量子位提供数据。与量子比特一样，振荡器也可以处于叠加状态——它们可以同时被激发（代表1）和不被激发（代表0），超导电路使我们能够准备、读取和修改存储在寄存器中的数据。”

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