首個機械量子比特問世，量子計算迎來「蒸汽朋克」時代
在量子計算領域，科學家們剛剛實現了一個令人振奮的突破：首次成功製造出機械量子比特（Mechanical Qubit）。
這項由瑞士聯邦理工學院團隊完成的創新成果，讓人不禁聯想到 20 世紀早期那些採用機械開關的計算機，為量子計算開啟了一個充滿復古未來感的「蒸汽朋克」新時代。
近日，相關論文以《機械量子比特》（A mechanical qubit）為題發表在 Science上[1]。
瑞士聯邦理工學院博士生 Yu Yang 是第一作者，研究助理伊戈爾·克拉達里奇（Igor Kladarić ）是共同一作兼共同通訊作者，助理教授 Yiwen Chu 擔任共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Science）
作為量子計算機的核心組件，量子比特具有一個獨特的特性。它可以同時處於 0、1 或兩者的疊加狀態。
一般來說，大多數量子計算機都依賴於超導金屬電路、單個離子或光子製成的量子比特。
圖 | 在這張鳥瞰顯微照片中，超導量子比特的一部分及其天線（白色）位於氮化鋁圓頂上方，該圓頂激發了下方藍寶石芯片的振動（來源：UWE VON LÜPKE/蘇黎世聯邦理工學院）
這些傳統的量子比特通常利用電子態的疊加來工作，例如兩種不同的電荷水平來實現。
然而，它們的短板在於量子相干時間較短，複雜而脆弱的量子態容易衰減，嚴重限制了它們的實際應用。
正是基於延長量子相干時間的考慮，科學家們開始探索製造機械量子比特的可能性。
Yu Yang 對媒體表示，這是首次實現「完全可操作的機械量子比特」。這種新型量子比特依賴於振動態的疊加，理論上可以獲得比電磁量子比特更長的相干時間。
西班牙光子科學研究所的凝聚態物理學家阿祖安盧比斯·巴赫托爾德（Adrian Bachtold）對媒體表示：「多年來，人們一直認為用機械系統製造量子比特是不可能的。」
由此可見，製造機械量子比特的確困難重重。首要難題是，如何讓裝置保持儘可能的靜止。由於量子不確定性，即使在絕對零度下，微小物體也永遠不會完全靜止。
這一難題在 2010 年獲得了突破，物理學家們成功將一個以 6 千兆赫頻率振動的「微型插水板」冷卻到其最低能量基態。他們甚至能夠通過一次提供一個聲子的能量，讓這個裝置逐步達到其後續幾個能態。
更具挑戰性的是機械振子的能量狀態問題。機械振子具有「諧波」能量狀態，這些狀態像梯子的橫檔一樣均勻分佈。
這使得人們無法將其中的兩個狀態單獨隔離出來形成量子比特，因為激發一個狀態到更高能級的刺激，也會同時將該更高能級推向下一個更高能級，如此循環往複。
正如瑞士聯邦理工學院的物理學家 Yiwen Chu 所說：「關鍵挑戰在於能否讓能級間距足夠不均勻，以便我們能夠單獨控制其中兩個能級，而不影響其他能級。」
為了克服這一難題，研究人員採用了一個巧妙的雙組件系統設計。
他們首先在一片 400 微米厚的藍寶石晶體上放置了一個微小的氮化鋁圓頂，這個機械諧振器能夠對振盪電壓作出響應，在材料中產生振動。
這些振動會在晶體表面之間來回反彈，並能在衰減前持續數億個週期。這種持久的振動特性，為實現長相干時間提供了可能。
在系統的另一個關鍵組件中，研究人員在相似的藍寶石晶體上製作了配備微型天線的超導量子比特。
通過將這些晶體疊放在一起，使天線位於氮化鋁穹頂上方，超導量子比特中的電流振盪可以有效激發機械振子中的振動。
另一個關鍵組件由一個超導量子比特組成，它配備了一個微型天線，放置在一個類似的藍寶石晶體上。
物理學家將晶體堆疊起來，使天線位於氮化鋁圓頂上方，超導量子比特中的電流振盪可以有效激發機械振子中的振動。
圖 | 該設備由一塊藍寶石芯片組成，上面有一個超導量子比特（左側灰色矩形），而另一塊藍寶石芯片充當機械振盪器（右側灰色圓點）（來源：資料圖）
重要的是，研究人員可以調節超導量子比特的振盪電流，使其頻率與機械振子的頻率略有偏差。
這導致超導量子比特的量子態與機械振子的量子態輕微融合，形成一個單一系統，其中混合態的能量不再均勻分佈。
這種精心設計的系統產生了所需的「非諧波性」，使他們能夠將融合系統的兩個最低能態隔離出來，作為量子比特的 0 和 1。
實驗結果顯示，這種機械量子比特的相干時間約為 200 微秒，明顯優於普通超導量子比特約 100 微秒的相干時間。
雖然目前最好的超導量子比特相干時間記錄約為 1 毫秒，但這種新型機械量子比特仍展現出了巨大潛力。
來自法國國家科學研究中心和法國法烏多大學的研究主任法比奧·皮斯托萊西（Fabio Pistolesi）指出，機械量子比特系統可能帶來令人興奮的發展前景。
理論上，「如果將壽命最長的機械振子與最佳量子比特結合，就有可能製造出具有更長相干時間的機械量子比特」。
這項突破性成果儘管在保真度方面（目前僅為 60%，而最佳量子比特可達 99% 以上）還需要進一步提升，但已經展現出獨特的應用前景。
特別是在探測引力波等其他量子比特難以感知的微弱力場方面，機械量子比特可能會發揮重要作用。
當前，該課題組正在推進下一階段的工作，試圖使用兩個機械量子比特執行簡單的邏輯運算。如果成功，將為量子計算開闢一個全新的技術方向。
展望未來，機械量子比特在量子計算和量子傳感領域都顯示出巨大潛力。正如 Yu Yang 所說：「我們的系統能夠測量由引力波等因素引起的千兆赫頻率的機械力，這在當前還是一個全新的探索領域。」
通過持續改進設計和材料，研究團隊希望能夠顯著提升設備性能，為量子計算的發展提供新的可能性。
參考資料：
1.Yang,Y. et al. A mechanical qubit.Science 386, 6723,783-788(2024). https://doi.org/10.1126/science.adr246
https://www.science.org/content/article/first-mechanical-qubit-quantum-computing-goes-steampunk
https://spectrum.ieee.org/mechanical-qubit
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