中國科大郭光燦院士領(lǐng)導的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室在基于碳納米管的納米機電系統(NEMS)方面取得系列重要進(jìn)展，這是納米技術(shù)應用的重大突破。該實(shí)驗室固態(tài)量子芯片組郭國平研究組與清華大學(xué)姜開(kāi)利研究組等合作并成功實(shí)現了兩個(gè)串聯(lián)碳納米管諧振器的強耦合、碳納米管諧振器中兩個(gè)模式的強耦合，并利用這種耦合實(shí)現了聲子的相干操控，相關(guān)成果分別發(fā)表在《納米快報》（Nano Lett. 16， 5456 (2016)，Nano Lett. 17， ASAP （2017））和《納米尺度》(Nanoscale 8，14809 (2016))上。
碳納米管由于其良好的電學(xué)性能、優(yōu)異的力學(xué)性能，近年來(lái)被廣泛應用于納米機電系統(NEMS)的相關(guān)研究，在質(zhì)量、微力、氣體、位移等物理量的測量方面也具有廣闊的應用前景。特別地，碳納米管諧振器的機械模式和單分子磁體、單電子電荷以及自旋等物理量具有較強的耦合，可以用來(lái)探索納米尺度物理現象，是一種品質(zhì)優(yōu)良的量子傳感器件。在量子信息領(lǐng)域，納米諧振器中的聲子可以保持較長(cháng)的相干時(shí)間，可以保持相干進(jìn)行遠距離的傳輸，是一種良好的飛行量子比特，被認為是量子數據總線(xiàn)的候選者之一。
碳納米管的新型轉移方法和串聯(lián)碳納米管諧振器的樣品制備
圍繞探索聲子作為量子數據總線(xiàn)這一目標，郭國平研究組開(kāi)展了多機械振子長(cháng)程耦合方面的研究，并在碳納米管機械振子上首次實(shí)現了兩個(gè)串聯(lián)機械振子的強耦合，同時(shí)也觀(guān)測到了兩個(gè)機械振子分別和量子點(diǎn)的強耦合，研究成果發(fā)表在國際權威雜志《納米快報》(Nano Lett.16, 5456 (2016))上。該新型耦合機械振子器件也為研究電子-聲子相干相互作用、電子長(cháng)程耦合以及電子糾纏態(tài)提供了新的平臺。利用聲子作為飛行比特也為量子數據總線(xiàn)研究領(lǐng)域提供了新思路，新方法和新途徑。
在實(shí)現了聲子的長(cháng)程耦合、長(cháng)程傳遞的基礎上，量子數據總線(xiàn)的研究還需要實(shí)現對聲子的相干操控。機械振動(dòng)高階模式的研究對超靈敏傳感器、聲子的相干操控具有重要意義。目前國際上的多機械模式耦合的相關(guān)研究主要集中在百千赫茲的低頻諧振器，而要實(shí)現更靈敏的傳感器，實(shí)現更快的聲子操控，需要進(jìn)一步提高諧振器的諧振頻率。
碳納米管中兩個(gè)機械模式的強耦合
針對高頻聲子操控的難題，郭國平研究組發(fā)現單根碳納米管中不同方向的振動(dòng)模式都可以工作在百兆赫茲量級，這兩個(gè)模式可以通過(guò)額外加入一個(gè)參量驅動(dòng)來(lái)進(jìn)行耦合，且通過(guò)調節驅動(dòng)功率可以實(shí)現從弱耦合到強耦合的線(xiàn)性調控，這與理論計算的結果完全一致，研究成果發(fā)表在7月13日出版的納米學(xué)權威雜志《納米尺度》(Nanoscale 8, 14809 (2016))上。研究組通過(guò)控制驅動(dòng)微波的波形實(shí)現了機械振動(dòng)中聲子的相干拉比操作，觀(guān)測到10次以上的拉比震蕩，是目前實(shí)驗上聲子操作次數的最大紀錄，此外拉比操作的頻率大于500千赫茲，比此前的相關(guān)報道高出兩個(gè)數量級。該研究成果發(fā)表在國際權威雜志《納米快報》(Nano Lett.17, ASAP (2017))上。
通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)碳納米管諧振器的強耦合、碳納米管諧振器中兩個(gè)模式的強耦合實(shí)現聲子的這種相干操控，將在量子傳感、量子信息領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
資料來(lái)源于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。
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