声子, 作为力学激发的最小能量单位, 其测量精度一直是量子计算、量子通讯等各种量子应用技术发展的主要制约因素。最近的一项研究表明通过精巧设计的光力学装置(如图), 可以在极为宽泛的频域内对声子实现单量子精度并且非破坏性的量子测量。

图1 量子光力学声子测量装置示意图

研究相关的论文题为: “Quantum non-demolition phonon counter with a hybrid optomechnical system”, 为近期出版的《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版2018年第5期文章, 由华东师范大学张可烨教授和加拿大滑铁卢大学董莹研究员联合撰写。研究者提出了一种全新的声子测量方法, 以混合光力学系统为媒介, 通过量子调控将待测声子的量子态高保真地传递到光子上, 然后利用光子成熟的量子测量技术实现非破坏性的高精度测量。

声子作为力学激发的最小能量单位, 对其数量与所处量子态的测量是以微纳力学原件为核心的各种量子应用技术发展的关键, 其测量的精度和效率直接影响这些量子技术的应用前景。然而, 与已具有成熟精密量子测量手段的光子不同, 声子所在的频域通常存在大量的低频噪声和原件材料的热噪声, 这使得对其实现高精度测量十分困难。此外, 在量子区域, 海森堡测不准原理也使得声子的测量精度受到约束。目前高精度声子测量技术大多基于声-光散射效应, 对所测声子的频率限制极大。研究者所提出的新方法, 独辟蹊径, 以量子光力学系统中可控的准粒子(Polariton)激发为桥梁, 将大量原本基于光子的量子测量技术, 尤其是量子非破坏测量方法, 嫁接到声子测量上。这不仅使得对声子强度的测量精度可以达到单量子水平, 还可以非破坏性地鉴别声子场所处的量子态。另外, 他们又通过参量声子耦合作用突破频率共振约束, 大大拓宽了该方法可测声子的频率范围。这一成果对量子计算, 量子通讯等基于固态量子器件的量子技术具有十分重要的意义。

该项研究得到了国家重大研究计划项目(No. 2016YFA0302001)和上海市科委启明星计划项目(No. 16QA1401600)资助。

更多详情请阅原文:

Q. Song, K. Y. Zhang, Y. Dong, and W. P. Zhang, Quantum non-demolition phonon counter with a hybrid optomechnical system, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 050311 (2018)

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/61/5/10.1007/s11433-017-9158-0?slug=full%20text

https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-017-9158-0

《中国科学: 物理学 力学 天文学》(中文版)和SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA, 英文版)是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性学术刊物, 均为月刊。英文版SCPMA被SCI, EI, ADS等数据库收录, 2016年影响因子为2.237, Q1区。中文版被Scopus、《中文核心期刊要目总览》、《中国科学引文数据库》等收录, 以出版热点专题和专辑为主。中英文为两本完全独立的刊物。订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号, 手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯, 请添加微信号SCPMA2014或扫描下方图片关注.