顶级学术期刊PNAS发表本源量子与中科大合作成果

近日，本源量子首席科学家、中国科学技术大学郭国平教授，中国科学技术大学宋骧骧副研究员，邓光伟副研究员（现电子科技大学研究员）等人同美国加州大学默塞德分校田琳教授，以及本源量子公司合作，在纳米谐振子声模相干操控方面取得重要进展，实现了空间上非直接连接的谐振子之间的声子模式相干操控。

相关研究成果以Coherent phonon dynamics in spatially separated graphene mechanical resonators为题，发表在3月2日出版的《美国科学院院报》(PNAS)上。

图1Coherent phonon   dynamics in spatially separated graphene mechanical resonators《美国科学院院报》（PNAS）与《Cell》、《Nature》、《Science》齐名，是世界公认的四大顶尖学术刊物、被引用次数最多的综合学科文献之一。自1914年创刊至今，PNAS提供具有高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、学术论文以及美国国家科学学会学术动态的报道和出版，收录的文献涵盖医学、化学、生物、物理、大气科学、生态学和社会科学等。

演示非近邻谐振子声子模式的Rabi振荡、Ramsey干涉及其电学调控性能

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随着纳米技术的快速发展，人们发现可以利用表面声波、纳米谐振子等器件来产生、传递和操控少数甚至是单个声子，并探索其在经典和量子信息处理方面的应用，其中诸多应用均需要以实现不同谐振模式之间的相干操控为前提。

空间上近邻耦合谐振子声子模式的研究，国际上已有报道，但不相邻声子模式之间长程可控的相干信息传递仍然是国际上一个尚未攻克的挑战。

针对这一难题，郭国平教授研究组围绕纳米谐振子中的声子模式操控，在之前取得的近邻谐振子及其相干操控的系列进展(Nano Lett.16, 5456 (2016)；Nano Lett.17, 915(2017))和静态电学可调非近邻谐振子耦合的工作(Nat. Commun. 9, 383 (2018))基础上，设计制备了三个石墨烯纳米谐振子串联耦合器件。

图2 具有三个石墨烯纳米谐振子链的器件结构示意图和扫描电子显微镜图像。

利用石墨烯优异的电学和力学性能，实现了以中间谐振子作为传递媒介，两端非近邻谐振子声子模式之间的可调强耦合。

通过样品结构和测量方案的优化，耦合强度和品质因数相比于之前的工作分别有一个和两个量级的提升，协同系数达到107，比国际上已报道的结果高出数个量级。

在同时实现可调性能强、耦合强度高、相干性能好的基础上，课题组演示了非近邻谐振子声子模式的Rabi振荡、Ramsey干涉及其电学调控性能。

图3（a）样品电子显微镜侧视图，悬浮部分为石墨烯条带。（b）非近邻纳米级谐振子间的Rabi振荡图样。（c）非近邻纳米级谐振子间的Ramsey干涉。

该工作首次在实验上实现非近邻声子模式之间的可控相干操控，为进一步利用纳米谐振子器件中的声子模式来进行信息的相干存储和相干传递创造了条件，拓展了基于纳米声学的声光电一体化器件的可能性。

审稿人评价“这些结果明显超越了现有谐振子在经典区域中的相干操作水平(These resultsclearly go beyond what has been achieved thus far on the coherent manipulationof resonators in the classical regime)”。

为基于声子体系的新型杂化量子信息器件研发提供新途径

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纳米技术的快速发展，使得使用长寿命振动声子模进行经典和量子信息处理成为可能。

尽管在过去的十年中不断努力，但声子模式之间可调的传递和操控在技术上仍然具有挑战性。

利用石墨烯优异的电学和力学性质，可以在空间分离的石墨烯机械谐振子之间实现电学可调的相干声子动力学。实验结果表明，以振动模式编码的信息可以在空间分离的谐振子之间存储、传输和操作。

本研究成果不仅证明了非近邻声子之间的信息传递，而且为基于声子的可扩展信息处理提供了基础。

随着基态冷却技术的进一步发展，该成果也将为量子区域声子态的电学操控，以及基于声子体系的新型杂化量子信息器件的研发提供新的途径。

论文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/02/28/1916978117

内容来源：中国科大新闻网、博科园