中美科学家利用石墨烯系统探索量子信息处理新方式

新华社合肥 1 月 28 日电,记者从中国科学技术大学获悉,该校教授郭国平、副研究员邓光伟等人和美国加州大学默塞德分校教授田琳合作,在非近邻的石墨烯纳米谐振子之间开创性地引入第三个谐振子作为声子腔模,成功实现了远程强耦合,为以声子模式作为载体进行量子信息存储和传输创造了条件。国际权威学术期刊《自然·通讯》 1 月 26 日发表了该成果。

纳米谐振子具有尺寸小、稳定性好、品质因子高等优点,是信息存储、操控和传输的优良载体。经典和量子信息都可以被编码在谐振子的声子态上,声子态也可以用于传输这些信息。实现该方案的一个主要难题是如何在长距离上实现可调的声子相互作用,近年来国际学界尝试采用光学腔或超导微波腔作为传递耦合的媒介,但由于频率相差巨大且耦合强度通常较小,很难达到强耦合区间。

针对这一难题,郭国平研究组提出利用谐振子本身作为声子腔模来代替光腔或微波腔的设想,并设计和制备了 3 个石墨烯纳米谐振子的串联结构。在这个器件中,每个谐振子的谐振频率可以通过各自底部的金属电极进行大幅度调节。实验证明,在该串联结构中近邻谐振子可以达到强耦合区间,当把中间谐振子的频率调到接近于两端谐振子的共振频率时,两端谐振子之间出现了很大的模式劈裂,而且劈裂值可以通过控制中间谐振子的频率进行大范围调控。

使用光学拉曼过程的理论分析,研究团队获得了两端谐振子的等效耦合强度及其随着失谐量的变化关系,实验发现测量到的等效耦合与理论结果吻合得非常好。

据介绍,这个实验首次实现了石墨烯纳米谐振子中的非近邻耦合,对于机电谐振子领域的研究具有重要的推动意义,为以声子模式作为载体进行量子信息的存储和传输创造了条件。

(责任编辑:冬天的宇)

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