一项突破性研究引入了先进的纳米光机械腔体，为更高效的量子网络和改进量子计算与通信技术铺平了道路。在从微波到红外的电磁频谱带中相干地传输信息的能力，对于开发用于计算和通信的先进量子网络至关重要。

通过光域和机械域之间的相互作用，光在空腔内直接散射到波导的过程示意图。资料来源：André Garcia Primo/UNICAMP

巴西坎皮纳斯州立大学（UNICAMP）的研究人员与瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的同事合作开展了一项研究，重点研究了纳米光机械腔体在这方面的应用。这些纳米级谐振器可促进高频机械振动与电信业所用波长的红外光之间的相互作用。

有关这项研究的文章最近发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。

架起超导电路与光纤之间的桥梁

"纳米机械谐振器是超导电路和光纤之间的桥梁。超导电路是目前最有前途的量子计算技术之一，而光纤则通常被用作信息的长距离传输器，噪音小且无信号损失，"格列布-瓦塔金物理研究所（IFGW-UNICAMP）教授、文章最后一位作者蒂亚戈-阿莱格雷（Thiago Alegre）说。

阿莱格雷说，这项研究的关键创新之一是引入了耗散光机械学。传统的光机械装置依赖于纯粹的色散相互作用，在这种情况下，只有局限在腔体内的光子才能被有效地色散。在耗散光机械学中，光子可以直接从波导散射到谐振器。

在这项研究之前，耗散光机械相互作用仅在低机械频率下得到证实，这就排除了光子（光学）和声子（机械）领域之间量子态转移等重要应用。这项研究首次证明了耗散光机械系统在机械频率超过光学线宽的情况下运行。

"我们成功地将机械频率提高了两个数量级，并将光机耦合率提高了十倍。这为开发更有效的设备提供了非常广阔的前景，"阿莱格雷说。

这些装置是与代尔夫特理工大学合作制造的，其设计采用了半导体行业的成熟技术。纳米硅梁悬浮在空中，可以自由振动，这样红外光和机械振动就同时被限制住了。横向放置的波导允许光纤与空腔耦合，从而产生耗散耦合，这正是研究人员所展示成果的关键要素。

这项研究为量子网络的构建提供了新的可能性。除了这一直接应用外，它还为未来的基础研究奠定了基础。阿莱格雷说："我们希望能够单独操纵机械模式，缓解光机械装置中的光学非线性问题。"

参考文献 André G. Primo、Pedro V. Pinho、Rodrigo Benevides、Simon Gröblacher、Gustavo S. Wiederhecker 和 Thiago P. Mayer Alegre 的"高频纳米机械谐振器中的耗散光机械学"，2023 年 9 月 18 日，《自然-通讯》。

DOI: 10.1038/s41467-023-41127-7

编译来源：ScitechDaily