近日, 北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“量子院”)，量子計(jì)算云平臺(tái)李鐵夫、劉玉龍團(tuán)隊(duì)與芬蘭Aalto大學(xué)、QTF量子研究中心Mika A. Sillanp?? 教授合作，基于高硬度的單晶碳化硅薄膜材料，成功研制出多模態(tài)長(zhǎng)壽命的光聲量子存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器在模式穩(wěn)定性以及信息存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵性能上刷新了國(guó)際記錄。2025年1月31日，相關(guān)成果以“Degeneracy-breaking and long-lived multimode microwave electromechanical systems enabled by cubic silicon-carbide membrane crystals”為題在線發(fā)表于國(guó)際知名期刊《自然-通訊》(Nature Communications)上。
 

　　光聲接口器件作為量子信息處理的關(guān)鍵技術(shù)，一直以來(lái)都備受科研人員的關(guān)注。高品質(zhì)因子(Q 因子)機(jī)械振子在這些領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，其性能的優(yōu)劣直接影響到量子信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理效率。然而，傳統(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)械振子在 Q 因子和頻率穩(wěn)定性等方面存在一定的局限性，難以滿足日益增長(zhǎng)的量子技術(shù)需求。3C-SiC 作為一種具有優(yōu)異性能的半導(dǎo)體材料，以其高熱導(dǎo)率和高應(yīng)力特性，為高 Q 因子機(jī)械振子的研發(fā)提供了新的可能。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)在 3C-SiC 薄膜晶體中發(fā)現(xiàn)了機(jī)械振動(dòng)模式簡(jiǎn)并破缺現(xiàn)象。表現(xiàn)為非均勻應(yīng)力的作用下，原本簡(jiǎn)并的機(jī)械模式發(fā)生頻率分裂，形成具有微小頻率差異的模式對(duì)。這些模式對(duì)不僅保留了高 Q 因子的特性，還展現(xiàn)出獨(dú)特的模式形狀，為微波光聲接口系統(tǒng)的精確控制提供了更多選擇。例如，(1,3)和(3,1)模式對(duì)，以及(1,4)和(4,1)模式對(duì)等，都表現(xiàn)出極高的 Q 因子，且具有明顯的中心垂直位移，這使得它們能夠通過(guò)微波腔電機(jī)械相互作用被有效地讀取，部分模式對(duì)的表面振動(dòng)形貌如圖1所示。
 

　　圖1 應(yīng)力主導(dǎo)下方膜的模態(tài)形狀和有效機(jī)械電容。a奇數(shù)階簡(jiǎn)并模式破缺；b偶數(shù)階模式破缺；c可有效構(gòu)筑機(jī)械模式；d無(wú)效耦合的機(jī)械模式

 

　　為驗(yàn)證 3C-SiC 膜晶體的性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并搭建了一套精巧的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置如圖2所示，包括一個(gè)三維超導(dǎo)微波諧振腔和一個(gè)機(jī)械平行板電容器芯片。3C-SiC 膜芯片被精心制作并安裝在諧振腔內(nèi)，通過(guò)金屬化處理和特定電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與微波腔場(chǎng)的高效耦合。實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用了連續(xù)波泵浦-探測(cè)方案和脈沖泵浦-探測(cè)序列，對(duì)機(jī)械振子的性能進(jìn)行了全面測(cè)試和表征。通過(guò)精確控制外部驅(qū)動(dòng)功率和探測(cè)信號(hào)的頻率，研究人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械振子的動(dòng)態(tài)行為，包括其共振頻率、Q 因子以及能量衰減率等關(guān)鍵參數(shù)。
 

　　圖2 器件裝置以及耦合結(jié)構(gòu)示意圖。a 基于三維超導(dǎo)腔以及碳化硅單晶薄膜的光聲接口器件；b 機(jī)械電容耦合示意圖；c 機(jī)電芯片集總電路圖

 

　　單晶碳化硅薄膜所提供的聲學(xué)模式具備極高的頻率穩(wěn)定性，為構(gòu)建多模態(tài)光聲存儲(chǔ)器件開(kāi)辟新篇章。實(shí)驗(yàn)中研究團(tuán)隊(duì)表征了21 個(gè)機(jī)械模式，其中 19 個(gè)模式的Q 因子超過(guò)了108，展現(xiàn)出極高的品質(zhì)因子(如圖3所示)。特別值得一提的是，(1,3)模式共振頻率為 871.318 kHz，Q 因子達(dá)到了1.18×108，能量衰減率僅為 8.2 mHz，純退相干率更是低至 0.28 mHz，這些優(yōu)異的性能指標(biāo)為量子信息處理中的長(zhǎng)壽命存儲(chǔ)和低噪聲操作提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，研究人員還實(shí)現(xiàn)了4035秒，超過(guò)長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)的群延遲時(shí)間，如圖3c所示。這一成果在微波電機(jī)械系統(tǒng)中尚屬首次。受益于極高的穩(wěn)定性，振子能量退相干結(jié)果如圖3d所示，單晶碳化硅薄膜為慢光技術(shù)和光信號(hào)存儲(chǔ)開(kāi)辟了新的篇章。
 

　　圖3 光聲存儲(chǔ)器件聲學(xué)多模態(tài)品質(zhì)因子以及微波群延時(shí)表征。a簡(jiǎn)并模式破缺誘導(dǎo)的高Q因子模式對(duì)；b低溫下測(cè)量的聲學(xué)振子品質(zhì)因子；c聲學(xué)模式群延遲時(shí)間與失諧頻率的關(guān)系; d聲學(xué)模式能量隨時(shí)間衰減變化圖

 

　　該項(xiàng)工作在振子的穩(wěn)定性、慢光群延時(shí)以及聲子的相干存儲(chǔ)時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)方面創(chuàng)造了多個(gè)世界記錄。本研究通過(guò)在 3C-SiC 膜晶體中引入簡(jiǎn)并破缺現(xiàn)象，成功實(shí)現(xiàn)了高 Q 因子機(jī)械振子的突破。這種長(zhǎng)時(shí)間高穩(wěn)定的機(jī)械振動(dòng)為固態(tài)量子信息存儲(chǔ)帶來(lái)了新的可能性，同時(shí)為高精度傳感器和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建帶來(lái)了新的機(jī)遇。后續(xù)團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步推動(dòng)多通道高性能“微波-光”量子相干接口核心儀器的構(gòu)建，為分布式量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供重大支撐作用，為量子信息處理等領(lǐng)域提供高性能的物理平臺(tái)。
 

　　該論文作者包括量子院副研究員劉玉龍、助理研究員孫換瑩、高級(jí)工程師劉其春、吳海華、芬蘭 Aalto大學(xué) Mika A. Sillanp?? 教授以及量子院工研部部長(zhǎng)李鐵夫研究員。本工作得到了北京市國(guó)際港澳臺(tái)合作項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程等相關(guān)項(xiàng)目的資助。