光机械 on Yuunagi Library

混合电路腔量子电动力学与微机械谐振器

Sat, 27 Jun 2026 00:00:00 +0000

Hybrid Circuit Cavity Quantum Electrodynamics with a Micromechanical Resonator#

混合电路腔量子电动力学与微机械谐振器#

J.-M. Pirkkalainen, S. U. Cho, J. Li, G. S. Paraoanu, P. J. Hakonen, M. A. Sillanpää

O.V. Lounasmaa Laboratory, Aalto University

Nature 494, 211–216 (2013)

摘要#

具有本质上不同自由度的混合量子系统，在许多物理现象中扮演关键角色。熟知的例子包括腔量子电动力学 [1]、囚禁离子 [2]、固体中的电子与声子。这些系统中，强耦合使各组分失去个体性、形成缀饰态——一种集体动力学形式。混合系统既有基本重要性，也有实际应用，特别是在新兴的量子信息控制领域。一个有前景的方向是把长寿命原子态 [2,3] 与超导腔和量子比特 [4,5] 中可访问的电自由度结合。本文把电路腔量子电动力学 [6,7] 与声子整合。 我们的超导 transmon 量子比特 [8]（由隧穿结和电容组成）除了耦合到微波腔，还与微机械谐振器中的声子模相互作用，因而像一个耦合到两个不同腔的原子。我们测量了声子 Stark 频移，以及量子比特谱线劈裂为运动边带（缀饰电机械态间的跃迁）。在时域，我们观测到量子比特激发到声子的相干转换——边带 Rabi 振荡。这是一个具有量子接口潜力的模型系统，可实现量子信息在长寿命声子态中的存储、与光子的耦合，或研究近经典极限的强耦合量子系统。

背景与动机#

基于约瑟夫森结的超导量子比特 [5] 为较大系统中的量子力学提供了无与伦比的试验场，同时也是量子信息处理的有前景实现。近期 phase [9] 与 transmon [10–12] 量子比特已演示基本量子算法。后者在电路腔量子电动力学（QED）框架下运作——量子比特耦合到片上 [6] 或三维微波腔 [13]。电路腔 QED 可视为量子信息最可行的平台，它实现了量子比特耦合与量子态非破坏测量。

接下来的挑战包括：构建把量子比特态存储/取回于长寿命量子存储器的接口、空间分离超导量子比特间的量子通信 [14]。混合量子系统对此有前景，因为原则上能组合各组分的特定优势。宏观量子比特与自旋系综的合体因后者长寿命而诱人 [15,16]，但单原子自由度层面耦合小是缺点。

机械振子在热退相干率处的测量与控制

Sat, 27 Jun 2026 00:00:00 +0000

Measurement-based control of a mechanical oscillator at its thermal decoherence rate#

机械振子在热退相干率处的测量与控制#

D. J. Wilson, V. Sudhir, N. Piro, R. Schilling, A. Ghadimi, T. J. Kippenberg

École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Nature 524, 325–329 (2015)

摘要#

实时量子反馈协议 [1,2] 中，连续测量的记录被用于稳定目标量子态。近年来在多种良好隔离的微系统（微波光子 [3]、超导量子比特 [4]）中取得高度成功。相比之下，稳定一个切实宏观物体（如纳米机械振子）的量子态仍是困难挑战：主要障碍是环境退相干，对测量态的时间尺度提出严格要求。本文描述一种位置传感器，能在固态纳米机械振子的热退相干时间尺度内分辨其零点运动——这是用反馈制备其基态的关键要求 [5]。该传感器基于腔光机械耦合 [6]，实现位移测量的不精确度比标准量子极限低 40 dB [7]，同时保持不精确度-反作用积在海森堡不确定极限因子 5 以内。以测量作误差信号、辐射压力作执行器，演示 4.3 MHz 振子从 4.4 K 低温浴主动反馈冷却（冷阻尼 [8]）到有效 1.1±0.1 mK，对应平均声子数 $n_m = 5.3 \pm 0.6$（基态概率 16%）。结果为线性位置传感器的性能设立新基准，标志着工程化机械振子作为测量基量子控制实用对象的兴起。

背景与动机#

机械振子的反馈控制历史悠久（蒸汽调速器 [9]、机械钟 [10]、检流计 [11]）。基本方法用传感器跟踪振子位置、用执行器把测量记录转成连续「实时」反馈力。近期实时反馈的量子极限 [1,2] 在良好隔离的个体量子系统中被探索，实现了微波 Fock 态产生 [3]、超导量子比特持续 Rabi 振荡 [4] 等惊人应用。这些协议的基本范式涉及能在量子态因测量反作用退相干同样快的速率下追踪它的「弱测量」[12]。

低于标准量子极限的连续力与位移测量

Sat, 27 Jun 2026 00:00:00 +0000

Continuous force and displacement measurement below the standard quantum limit#

低于标准量子极限的连续力与位移测量#

D. Mason, J. Chen, M. Rossi, Y. Tsaturyan, A. Schliesser

Niels Bohr Institute, University of Copenhagen

Nature Physics 15, 745–749 (2019)

摘要#

量子力学规定，物理测量的精度必须始终满足某些噪声约束。对干涉位移测量，这些限制施加了标准量子极限（SQL），最优地平衡测量精度与其不受欢迎的反作用 [1]。要超越此极限，必须设计更复杂的测量技术——要么「规避」测量反作用 [2]，要么在探测器处巧妙消除不受欢迎的噪声 [3,4]。SQL 确立半个世纪以来，从 LIGO [5] 到超冷原子 [6]、纳米机械器件 [7,8] 的系统都把位移测量推向此极限，多种亚 SQL 技术在原理验证实验中被测试 [9–13]。然而迄今，没有实验系统成功演示了含全部相关噪声源（热、反作用、不精确）的干涉位移测量灵敏度低于 SQL。 本文利用超高相干性光机械系统中的强量子关联，演示共振外力与位移灵敏度达到低于 SQL 1.5 dB。这达成了机械量子传感中的杰出目标，进一步增强用这类器件做最先进力传感应用的前景。

背景与动机#

SQL 的推导#

SQL 可通过分析理想干涉位移测量中量子噪声源的简单论证得出 [1,14–16]。测量的前提是把物体位置（如谐振束缚的镜）耦合到相干光场的相位。该相位的不确定度随相干场强度反比缩放（光学场的海森堡不确定关系）。此**不精确噪声（散粒噪声）**构成有效位移噪声 $\hat{x}_{\mathrm{imp}}$，谱密度 [15,17]

$$ \bar{S}_{xx}^{\mathrm{imp}} = \frac{x_{\mathrm{zpf}}^2}{4\Gamma_{\mathrm{meas}}}, \tag{1} $$

$\Gamma_{\mathrm{meas}}$ 为表征相互作用强度的测量率 [17]，$x_{\mathrm{zpf}} = \sqrt{\hbar/2m\Omega_m}$ 为振子零点涨落的 rms 幅度。