中国科大在纳米机电系统(NEMS)相关研究中取得系列进展

摘要: 　　中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在基于碳纳米管的纳米机电系统(NEMS)方面取得系列进展。该实验室固态量子芯片组郭国平学习组与清华大学姜开利学习组等合作并成功实现 ...

　　中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在基于碳纳米管的纳米机电系统(NEMS)方面取得系列进展。该实验室固态量子芯片组郭国平学习组与清华大学姜开利学习组等合作并成功实现了两个串联碳纳米管谐振器的强耦合、碳纳米管谐振器中两个模式的强耦合，并利用这种耦合实现了声子的相干操控，相关成果分别发表在纳米快报（Nano Lett. 16， 5456 (2016)，Nano Lett. 17， ASAP （2017））和纳米尺度(Nanoscale 8， 14809 (2016))上。
　　围绕探索声子作为量子数据总线这一目标，郭国平学习组开展了多机械振子长程耦合方面的学习，并在碳纳米管机械振子上首次实现了两个串联机械振子的强耦合，同时也观测到了两个机械振子分别和量子点的强耦合，学习成果发表在国际杂志纳米快报(Nano Lett. 16， 5456 (2016))上。该新型耦合机械振子器件也为学习电子-声子相干相互作用、电子长程耦合以及电子纠缠态提供了新的平台。利用声子作为飞行比特也为量子数据总线学习领域提供了新思路、新方法和新途径。
　　在实现了声子的长程耦合、长程传递的基础上，量子数据总线的学习还需要实现对声子的相干操控。机械振动高阶模式的学习对超灵敏传感器、声子的相干操控具有重要意义。目前国际上的多机械模式耦合的相关学习主要集中在百千赫兹的低频谐振器，而要实现更灵敏的传感器，实现更快的声子操控，需要进一步提高谐振器的谐振频率。
　　针对高频声子操控的难题，郭国平学习组发现单根碳纳米管中不同方向的振动模式都可以工作在百兆赫兹量级，这两个模式可以通过额外加入一个参量驱动来进行耦合，且通过调节驱动功率可以实现从弱耦合到强耦合的线性调控，这与理论计算的结果完全一致，学习成果发表在纳米尺度(Nanoscale 8， 14809 (2016))上。学习组通过控制驱动微波的波形实现了机械振动中声子的相干拉比操作，观测到10次以上的拉比震荡，是目前实验上声子操作次数的最大纪录，此外拉比操作的频率大于500千赫兹，比此前的相关报道高出两个数量级。该学习成果发表在国际杂志纳米快报(Nano Lett. 17， ASAP (2017))上。通过一系列的手段将机械振动冷却到量子基态之后，对声子的相干操控将在量子传感、量子信息领域具有广阔的应用前景。
　　该系列工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的资助。
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