使用声音来测试设备控制量子位

声学谐振器无处不在。事实上，你现在很有可能手里就拿着一个。如今，大多数智能手机都使用体声谐振器作为射频滤波器，以滤除可能降低信号质量的噪声。这些滤波器也用于大多数 Wi-Fi 和 GPS 系统。

声学谐振器比电气谐振器更稳定，但它们会随着时间的推移而退化。目前还没有简单的方法来主动监控和分析这些广泛使用的设备的材料质量退化情况。

现在，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员与普渡大学 OxideMEMS 实验室的研究人员合作，开发了一种系统，利用碳化硅中的原子空位来测量碳化硅的稳定性和质量。声谐振器。更重要的是，这些空位还可以用于声控量子信息处理，为操纵这种常用材料中嵌入的量子态提供了一种新方法。

塔尔-科因应用物理和电气工程教授伊芙琳·胡 (Evelyn Hu) 表示：“碳化硅是量子报告器和声谐振器探针的主体，是一种现成的商业半导体，可以在室温下使用。”以及文理学院李彦宏和马丽莎教授，以及该论文的高级作者。“作为声谐振器探针，这种碳化硅技术可用于监测加速度计、陀螺仪和时钟在其使用寿命内的性能，并且在量子方案中，具有混合量子存储器和量子网络的潜力。”

该研究发表在《自然电子》杂志上。

声学谐振器的内部结构

碳化硅是微机电系统 (MEMS) 的常用材料，其中包括体声谐振器。

普渡大学埃尔莫尔家族电气与计算机工程学院教授、该论文的合著者Sunil Bhave 表示：“众所周知，晶圆级可制造碳化硅谐振器在品质因数方面具有同类最佳的性能。” 。 “但是位错和晶界等晶体生长缺陷以及粗糙度、系链应力和微缩坑等谐振器制造缺陷可能会导致 MEMS 谐振器内部出现应力集中区域。”

如今，在不破坏声谐振器的情况下观察其内部发生情况的唯一方法是使用超强大且非常昂贵的 X 射线，例如阿贡国家实验室的广谱 X 射线束。

SEAS 研究生兼共同第一人 Jonathan Dietz 表示：“这些类型的昂贵且难以访问的机器无法部署在铸造厂或实际制造或部署这些设备的地方进行测量或表征。”论文作者。“我们的动机是尝试开发一种方法，使我们能够监测体声谐振器内部的声能，以便您可以获取这些结果并将其反馈到设计和制造过程中。”

碳化硅通常具有自然发生的缺陷，其中原子从晶格中移除，形成空间局部电子态，其自旋可以通过材料应变(例如声谐振器产生的应变)与声波相互作用。

当声波穿过材料时，它们会对晶格施加机械应变，从而翻转缺陷的自旋。通过用激光照射材料，可以观察自旋状态的变化，看看有多少缺陷在扰动后“打开”或“关闭”。

SEAS 的研究生、该论文的合著者亚伦·戴 (Aaron Day) 表示：“光线有多暗或多亮表明缺陷所在的当地环境中的声能有多强。” “因为这些缺陷只有单个原子的大小，所以它们给你的信息是非常局部的，因此，你实际上可以以这种非破坏性的方式绘制出设备内部的声波。”

该地图可以指出系统可能在何处以及如何退化或无法最佳运行。

声学控制

碳化硅中的那些相同缺陷也可以是量子系统中的量子位。

如今，许多量子技术都建立在自旋相干性的基础上：自旋将保持在特定状态多长时间。这种相干性通常由磁场控制。

但胡和她的团队通过他们的技术证明，他们可以通过声波使材料机械变形来控制旋转，获得与使用交变磁场的其他方法类似的控制质量。

“利用材料的自然机械特性——它的应变——扩大了我们的材料控制范围，”胡说。“当我们使材料变形时，我们发现我们还可以控制自旋的相干性，并且只需通过材料发射声波即可获得该信息。它为材料的固有属性提供了一个重要的新方法，我们可以用它来控制嵌入该材料的量子态。”

该研究由姜博阳共同撰写。它得到了国家科学基金会的 RAISE-TAQS 奖 1839164 和拨款 DMR-1231319 的支持。