利用聲音測試裝置，控制量子位元
2023 年 10 月 25 日，哈佛大學約翰·A·保爾森應用科學與工程學院（SEAS）的研究人員與普渡大學氧化物微機電實驗室的研究人員合作，開發出一種使用碳化矽中的原子缺陷來測量聲共振器的穩定性和品質的系統。這種缺陷還可以用於聲控量子訊息處理，為操作嵌入在這種常用材料中的量子狀態提供了一種新方法。
聲共振器的應用和約束
聲共振器是無處不在的。事實上你手中現在很可能正拿著一個聲共振器。如今大多數智慧手機使用體積共振器作為無線電頻率濾波器，用於過濾可能會降低訊號質量的噪音。這些濾波器也被用於大多數 Wi-Fi 和 GPS 系統中。與電氣共振器相比，聲共振器更穩定，但它們會隨著時間的推移而退化。當前還沒有一種簡單的方法來主動監測和分析這些廣泛使用裝置的材料品質的變化。
碳化矽的應用
碳化矽是微機電系統（MEMS）的常見材料，包括體積共振器。它是一種常見的商業半導體材料，可在室溫下使用。碳化矽通常存在自然產生的缺陷，其中一個晶格中的原子被移除，形成一個空間區域性的電子態，其自旋可以透過材料應變（例如由聲共振器產生的應變）與聲波相互作用。當聲波透過材料時，它們會對晶格產生機械應變，從而翻轉缺陷的自旋。透過將鐳射照射到材料背面觀察在干擾之後的多少缺陷處於“開啟”或“關閉”狀態，可以觀察到自旋狀態的變化。由於這些缺陷的大小僅相當於單個原子，它們給出的訊息非常區域性，因此可以以非破壞性的方式繪製出裝置內部的聲波分布圖，這對於判斷系統的退化和不常規執行情況非常有用。
應用於量子控制
碳化矽中的這些缺陷也可以成為量子系統中的量子位元。如今許多量子技術都是建立在自旋的相幹性上的：自旋保持在特定狀態中的時間有多長。這種相幹性通常透過磁場控制。但是透過他們的技術，胡教授和她的團隊證實了他們可以透過使用聲波機械變形材料來控制自旋，獲得了與使用交替磁場控制的其他方法相似的控制質量。胡教授表示：“利用材料的自然機械性質（應變）擴充了我們對材料的控制範圍。當我們變形材料時，我們發現我們還可以控制自旋的相幹性，我們可以透過僅透過在材料中發射聲波獲得這些訊息。這為我們利用材料中嵌入的量子狀態提供了一個重要的新方式。”
結論和展望
此項研究在《Nature Electronics》上發表，開拓了利用聲音測試裝置和控制量子位元的新途徑。透過利用碳化矽材料中的原子缺陷，研究人員成功地實現了對聲共振器的穩定性和品質進行測量。同時他們還展示了這些缺陷可以用於控制量子系統中的量子位元。這些發現有望應用於監測和改進裝置的效能，同時也對量子訊息處理提供了新的可能性。未來，這項技術可能被應用於加速計，陀螺儀和時鐘的效能監測，同時在量子計算和量子網路領域也具有潛力。
Leah Burrows (2023 年 10 月 25 日)。Using sound to test devices, control qubits. 來源：https://techxplore.com/news/2023-10-devices-qubits.html
