斯坦福大学的研究人员已经为未来基于量子物理的技术开发了一种关键的实验装置，这种装置借鉴了我们日常使用的机械设备。

可靠、紧凑、耐用且高效的声学设备是利用机械运动来执行有用的任务。这种设备的一个主要例子是机械振荡器。当被力(例如声音)作用时，设备的组件开始围绕其原始位置来回移动。在手机、电脑和手表等无处不在的电子设备中，创建这种周期性运动能开发出方便的计时、滤波信号和感知运动方法。

研究人员正试图将机械系统的好处带入神秘的量子领域，在这个微观尺度下的世界，原子会进行微妙的相互作用，并表现出违反直觉的行为。为了实现这一目标，Amir Safavi-Naeini领导了斯坦福大学的一个研究团队，他们通过将微型纳米机械振荡器与一种可以以量子比特的形式存储和处理能量的电路相耦合，演示了一种新的能力。利用该设备的量子比特，研究人员可以操纵机械振荡器的量子态，并产生某种量子力学效应，这种装置有朝一日可以为先进计算和超精密传感系统提供支持。

他们的这项研究发表在近期的《自然》杂志上。论文资深作者、斯坦福大学人文学院应用物理系副教授Safavi-Naeini说：“有了这个设备，我们的演示在尝试构建基于机械系统的量子计算机和其他有用的量子设备方面迈出了重要一步。我们实质上是在寻求建立一种‘机械量子力学’系统。”

该研究的共同第一作者Alex Wollack和Agnetta Cleland使用了一种专门的设备，在两块硅计算机芯片上制造了一种有纳米级精度的硬件组件。然后，研究人员将两块芯片粘合在一起，这样底部芯片的组件就像三明治一样面对着上面芯片的组件。

在底部芯片上，Wollack和Cleland制作了一个铝超导电路，这形成了设备的量子比特。将微波脉冲发送到该电路中会产生光子，这些光子会在设备中编码一个量子比特的信息。与将比特存储为0或1的传统电子设备不同，量子力学设备中的量子比特还可以同时代表为0和1的概率组合。这是利用了一种被称为叠加的量子力学现象，量子系统可以同时以多个量子态存在，直到系统被测量为止。

顶部的芯片包含了两个纳米机械谐振器，它由悬浮的桥状晶体结构形成，只有几十纳米长。该晶体由压电材料铌酸锂制成。具有这种特性的材料可以将电力转换为运动，在这种设备的情况下，这意味着由量子比特光子传递的电场被转换为一种称为声子的晶格振动的能量量子。

这些声子的产生使每个纳米机械振荡器都可以像一个寄存器一样工作，这是计算机中最小的数据存储元件，并且是由量子比特提供数据的。与量子比特一样，振荡器也可以相应地处于叠加态，它们可以同时被激发(代表1)和不被激发(代表0)。超导电路使研究人员能够准备、读出和修改存储在寄存器中的数据，这在概念上类似于传统电子计算机的工作方式。

Safavi-Naeini说：“我们的梦想是制造一种设备，它的工作方式与计算机硅片一样。比如在你的手机或u盘上，是用寄存器存储比特。虽然我们还不能在u盘上存储量子比特，但我们正在用机械谐振器展示同样的东西。”

除了叠加之外，该器件中光子和谐振器之间的连接进一步利用了另一种重要的被称为纠缠的量子力学现象。使纠缠态如此违反直觉并且在实验室中难以创建的原因在于，有关系统状态的信息分布在多个组件中。在这些系统中，他们可以同时了解两个粒子的所有信息，但对单独观察的其中一个粒子会一无所知。想象一下，两枚硬币在两个不同的地方翻转，观察到正面或反面的随机概率是相等的，但是当比较不同地方的测量值时，它们又总是相关的——也就是说，如果一枚硬币以反面落地，另一枚硬币一定会以正面落地。

为了在实验中证明这些量子效应，斯坦福大学的研究人员生成了一个量子比特，是作为光子存储在底部芯片的电路中。该电路能与顶部芯片上的一个机械振荡器交换能量，然后将剩余信息传输到第二个机械装置。通过以这种方式来交换能量——首先用一个机械振荡器，然后用第二个振荡器——研究人员利用该电路作为一种工具，能以量子力学的方式使两个机械谐振器相互纠缠。

Wollack说：“量子力学的奇异之处在这里得到了充分展示。声音不仅以离散的单位出现，而且单个声音粒子可以在两个纠缠在一起的宏观物体间共享，每个宏观物体都有数万亿个原子在一起运动——或不运动。”

为了最终进行实际计算，持续纠缠(或保持相干)的周期需要明显加长，这大约需要几秒，而不是目前的几分之一秒。叠加和纠缠都是非常微妙的条件，它们在即使是热或其他能量形式的轻微干扰下也会很脆弱，但这些量子特性赋予了量子传感装置极高的灵敏度。Safavi-Naeini和他的合著者相信，通过改进制造工艺和优化所涉及的材料，应该可以很容易地实现更长的相干时间。

Safavi-Naeini说：“在过去的四年里，我们每年能将系统的性能提高近10倍。展望未来，我们将继续朝着设计量子机械设备(如计算机和传感器)迈出更多具体的步骤，并将机械系统的优势带入量子领域。”（编译:Qtech）