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雷根斯堡大学物理学家将一种大分子碳纳米管的振动 ， 耦合到微波腔中 ， 创造了一种新颖高度小型化的光学机械系统 。 安德烈亚斯·K·胡特尔博士团队通过使用电荷的量子化 ， 即电荷由单电子携带 ， 作为一种强大的放大机制 ， 实现了这一点 ， 其研究发现发表在《自然通讯》期刊上 。 它们代表了将完全不同的量子技术结合在一个设备中的重要一步（例如电子自旋量子比特和超导量子比特） 。

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正常情况下 ， 将碳纳米管等大分子的振动与微波耦合是很困难的 。 为什么？因为在量子计算或腔量子电动力学设备中使用的电磁波长 ， 工作在GHz频率 ， 在毫米范围内 。 一个典型的纳米管装置 ， 既可用于捕获已知量子态的电子 ， 也可用作振动谐振器 ， 长度不到一微米 ， 振动幅度低于一纳米 。 由于尺寸的不匹配 ， 纳米管的运动 ， 并不会对微波腔的电磁场产生太大影响 ， 用标准光学力学理论预测耦合是最小的 。

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尽管如此 ， 实现这样的耦合并控制它 ， 而不会将纳米管驱动到很大的振动幅度 ， 从许多方面来说都是一个有吸引力的想法 。 纳米管是一种优秀的弦谐振器 ， 可以长时间储存能量；它的振动可以用来在根本不同的自由度之间转换量子信息 。 单阱电子和超导微波电路都是量子计算体系结构的热门候选者 。 研究表明 ， 与简单的几何预测相比 ， 振动和电磁场这两个系统之间的相互作用 ， 可以放大到原来的10000倍 。

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这是通过使用所谓的量子电容来实现：电流由离散的电子携带 ， 这意味着给非常小的电容器(如纳米管)充电不是连续发生的 ， 而是分步骤进行 。 通过在阶跃曲线上选择工作点 ， 实现了光机耦合的可控性 ， 并可快速通断 。 目前正在芬兰阿尔托大学从事研究的胡特尔博士说：我们实施了一种所谓色散耦合光学机械系统 ， 一方面 ， 由于机械部分的微型化和单电子效应 ， 该系统新颖而令人兴奋 。

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另一方面 ， 由于存在大量关于较大(最大到宏观尺度)的光学机械系统理论和实验研究 ， 这一点是众所周知的 。 光机相互作用可以用来冷却振动 ， 以高灵敏度的方式检测振动 ， 放大信号 ， 甚至可以任意制备量子态 。 研究结果表明 ， 在不久的将来 ， 可以实现对弦状纳米管振动的量子控制 。 这使得它作为一种量子交换机非常有吸引力 ， 结合了非常不同的量子现象 。
博科园｜研究/来自：雷根斯堡大学
参考期刊《自然通讯》
博科园｜科学、科技、科研、科普

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