中科大：实现相干声子动力学，并且证明了声子之间的信息传递

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中国科学院中国科学技术大学郭国平教授、宋骧骧教授、邓光伟（现就职于电子科技大学）与加州大学默塞德分校田琳教授和Origin量子有限公司合作，在纳米机械谐振器方面取得了重要进展。他们在空间分离的机械谐振器中实现了相干声子操纵，其研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。随着纳米技术的飞速发展，声表面波谐振器和纳米机械谐振器等器件：

被发现适合于少数声子甚至单个声子的产生、存储和操纵，可以进一步应用于经典和量子信息处理中。各种应用的实现需要不同声子模式之间的相干操作。以前已经报道过相邻声子模式之间的相干操作，而空间分离声子模式之间可控的相干信息传输在技术上仍然具有挑战性。围绕这一目标，研究人员在之前成果的基础上设计了一种新装置。利用石墨烯特殊的电子和力学性质，实现了中心声子模介导的非相邻声子模之间的可调谐强耦合。

（上图所示）通过正方形晶格传播的声子（原子位移被大大放大）。图片：Wikipedia

通过改进样品结构设计和测试技术，耦合强度和品质因数分别比以前的工作提高了一个数量级和两个数量级。合作系数达到107，比其他作品高出几个数量级。由于具有高可调谐性、大耦合强度和良好的相干性，研究人员展示了该系统中：非相邻声子模之间的电调谐拉比振荡和拉姆齐干涉。本研究首次在实验上实现了非相邻声子模间的可调谐相干声子动力学。

（上图所示）具有三个基于石墨烯纳米机械谐振器链的设备架构示意图和扫描电子显微镜图像。图片：University of Science and Technology of China

展示了利用纳米机械谐振器中的声子模式进行信息存储和处理的新可能性，以及基于纳米声子学的混合器件。研究人员表示：这些结果显然超出了迄今为止在经典体制中对谐振器相干操纵所取得的成就。利用冷却技术的优势，本研究也为声子在量子区的相干操纵和基于声子的新型量子器件发展提供了启示。纳米技术的快速发展，使得使用长寿命振动声子模进行经典和量子信息处理成为可能。

（上图所示）（a）样品电子显微镜侧视图，悬浮部分为石墨烯条带。（b）非近邻纳米级谐振子间的Rabi振荡图样。（c）非近邻纳米级谐振子间的Ramsey干涉。图片：中国科学技术大学

尽管在过去的十年中不断努力，但可调谐声子介导的信息，在远距离声子模式之间的传递和处理在技术上仍然具有挑战性。利用石墨烯优异的电学和力学性质，可以在空间分离的石墨烯机械谐振器之间实现电调谐的相干声子动力学。门可控的谐振频率、耦合强度和相干声子动力学表明，以振动模式编码的信息可以在空间分离的谐振器之间存储、传输和操作。本研究成果不仅证明了声子之间的信息传递，而且为基于声子的可伸缩信息处理提供了基础。