跨基底确定性多声子纠缠：双机械谐振器的量子态合成与表征

研究人员针对复杂机械纠缠态制备难题，通过集成超导量子比特与分离基底表面声波(SAW)谐振器，实现了确定性多声子纠缠。成功合成保真度达0.872的机械贝尔态和0.748的N=2 NOON态，为模块化量子信息处理平台开发提供关键技术支撑。

　　

量子力学与经典世界的边界在微观尺度已被不断突破，但宏观机械系统的量子操控仍面临重大挑战。机械振动量子（声子）因其长寿命、高频率特性成为量子信息存储的理想载体，然而跨器件的多声子纠缠制备始终受限于相干时间短、操控精度不足等问题。美国芝加哥大学Andrew N. Cleland团队在《Nature Communications》发表的这项研究，通过创新性器件架构解决了这一难题。

研究团队采用非共面模块化设计，将两个锂铌酸盐(LiNbO₃)基底上的表面声波谐振器(RA/RB)与蓝宝石基底超导Xmon量子比特(QA/QB)集成。关键技术包括：1）空气隙电感耦合实现非接触式跨基底连接；2）布拉格声学镜面约束单模声场；3）可调耦合器(g_ge/g_ef≈8.6 MHz)动态调控相互作用；4）Wigner层析法重构密度矩阵。

【Device design and characterization】
双谐振器系统工作频率分别为3.027 GHz(RA)和3.295 GHz(RB)，通过200条铝线布拉格反射镜获得50 MHz声学禁带。实验测得单声子态寿命T₁^m=380±8 ns(RA)和270±3 ns(RB)，品质因数Q≈7000，满足量子操控需求。

【Mechanical Bell state】
通过量子比特贝尔态(∣eg?+∣ge?)/√2的机械转移，实现跨基底声子纠缠态(∣10?+∣01?)/√2。15×15组位移脉冲的Wigner层析显示态保真度达0.872±0.002，主要受限於谐振器T₁^m与量子比特耦合时的额外衰减。

【Mechanical NOON state】
创新性利用量子比特第二激发态(∣f?)，通过fe→e声子转换制备N=2 NOON态(∣20?+∣02?)/√2。261组层析测量显示0.748±0.008保真度，未达理论值主因是IDT带宽内非共振声子泄露。

该研究首次在分离基底上实现确定性多声子纠缠，其模块化架构支持GHZ态等复杂量子态合成。通过优化声学镜面设计（如减小自由光谱范围）可扩展至多模量子处理，为分布式量子存储器、误差修正编码提供新范式。文中指出的声子泄露问题将推动窄带IDT器件研发，而低温下LiNbO₃损耗机制（Wollack et al. Appl. Phys. Lett. 2021）的后续研究可能进一步提升相干时间。这项工作标志着机械量子系统从单器件操控迈向网络化应用的关键突破。