近日，发表在《Physical Review Letters》期刊上的一项研究（DOI：10.1103/PhysRevLett.132.263602）提出了一种将固态自旋量子比特与纳米机械谐振器结合的方法，以实现可扩展和可编程的量子系统。量子信息处理需要具有长时间相干性、稳定性和可扩展性的量子比特。虽然固态自旋量子比特具有长时间的相干性，但它们缺乏可扩展性。
这项研究由哈佛大学Mikhail Lukin教授研究小组的研究生Frankie Fung领导，旨在解决这一挑战。所提出的架构使用纳米机械谐振器来介导自旋量子比特之间的相互作用。
“我们的研究旨在利用纳米机械谐振器来介导这些自旋量子比特之间的相互作用。更具体地说，我们提出了一种新的架构，其中在各个扫描探针尖端内部的自旋量子比特可以移动到一个介导自旋-自旋相互作用的纳米机械谐振器上，”Fung解释道。“扫描探针尖端可以移动到一个介导自旋-自旋相互作用的机械谐振器上。由于我们可以选择哪些量子比特移动到这个机械谐振器上，我们可以创建自旋量子比特之间的可编程连接。”
该团队使用钻石中的氮空位(NV)中心作为量子比特。这些中心是通过用氮原子替换钻石中的一个碳原子而创建的，从而在氮原子旁边产生一个空位。NV中心稳定，具有长时间的相干性，并且与光学兼容，使它们成为理想的量子比特。然而，由于磁偶极相互作用，它们的相互作用范围很短。
“虽然已经展示了使用固态自旋量子比特的小型量子寄存器，但它们依赖于磁偶极相互作用，这将相互作用范围限制在几十纳米以内。短的相互作用距离和在如此接近的间距上一致制造自旋量子比特的困难使得控制包含大量量子比特阵列的系统具有挑战性，”Fung表示。
为了实现长距离相互作用，研究人员将NV中心与纳米机械谐振器耦合，这些是微小的结构，以高频率振荡，并对外部场和力敏感。这种耦合允许非局部量子比特相互作用，可能实现大规模量子处理器。
该架构由在各个扫描探针尖端中的自旋量子比特组成，其中NV中心位于靠近硅氮化膜上的微磁体的金刚石纳米柱内部。这种设置在量子比特和谐振器周围创建了一个磁场，改变了电子自旋状态，并引起了影响其他量子比特的不同振荡。
"作为原理验证测量，我们存储了一些相干信息在NV中心，在一个大的场梯度中移动它，并展示了信息在之后被保留，"Fung表示。通过展示在微磁体的机械运输过程中的量子比特相干性，并在低温下实现了大约一百万的品质因数，证明了这种架构的可行性。
“虽然这种耦合还没有足够强，使这种架构成为现实，但我们相信有几种现实的改进可以使我们达到那里，”Fung表示。“腔体不仅可以让我们更精确地测量机械运动，而且可能将机械谐振器准备在其基态。这大大扩展了我们可以做的实验，例如将自旋到力学的单个量子信息转移，反之亦然。”
研究人员计划引入一个带有纳米机械谐振器的光学腔，并相信这些谐振器由于它们与各种力的相互作用，是不同量子比特之间理想的中介。“一个混合量子系统可以利用不同种类量子比特的优势，同时减轻它们的劣势。因为它们可以在芯片上制造，纳米机械谐振器可以与其他组件集成，如电路或光学腔，这为长距离连接打开了可能性，”Fung总结道。
