摘要：量子比特是量子信息的基本单位。与经典计算机中的比特不同，量子比特可以以 0、1 或两者的叠加形式存在，这要归功于量子力学和纠缠的奇怪内部工作原理。

科学家们使用超导电路和振动蓝宝石晶体创建了一个量子信息单元。

（图片来源：koto_feja/Getty Images）

科学家们创造了世界上第一个机械量子比特：一个微小的移动系统，它使用振动而不是电流或光来存储量子信息。

量子比特是量子信息的基本单位。与经典计算机中的比特不同，量子比特可以以 0、1 或两者的叠加形式存在，这要归功于量子力学和纠缠的奇怪内部工作原理。

传统上，这些由超导电路、带电原子（离子）或轻粒子（光子）制成。然而，新的机械量子比特使用声子（一种“准粒子”），由精确设计的蓝宝石晶体内的振动产生。

准粒子是一个概念，用于描述一组粒子的行为和相互作用，就好像它们充当单个粒子一样。在这种情况下，声子代表本质上作为振动能量载体的准粒子。

科学家们表示，这一突破可能为能够检测重力等力的超灵敏传感器技术以及更长时间保持量子计算机稳定性的新方法铺平道路。他们于 11 月 14 日在《科学》杂志上发表了他们的研究。

机械系统历来被认为太具有挑战性，不能用作量子比特，因为多亏了量子力学的原理，它们永远不会完全静止。这意味着总是需要考虑和控制残余运动，以便它们在量子水平上工作。

同样，机械振荡器（以声子形式储存和传输能量的装置）通常会受到均匀间隔能量能级的谐波振动。科学家们解释说，这是一个问题，因为均匀的间距使得很难隔离表示量子比特的 0 和 1 所需的两种能量状态。

“[挑战] 在于你能否使能级的间距足够不等，以至于你可以在不接触其他能量的情况下处理其中两个，”该研究的合著者、苏黎世联邦理工学院的物理学家 Yiwen Chu。

研究人员通过创建一个“混合”系统来解决这个问题，将 400 微米（0.4 毫米）的蓝宝石晶体谐振器与超导量子比特耦合，并调整两者以略微偏移的频率相互作用。当谐振器和量子比特相互作用时，它会混合它们的量子态，导致谐振器中的能级间距不均匀——这种现象被称为“不和谐”。

这使研究人员能够分离出两种不同的能量状态，有效地将谐振器转变为机械量子比特。

虽然机械量子比特可以保存和操纵量子信息，但该系统的保真度（衡量其执行量子运算的准确性）记录仅为 60%。相比之下，最先进的超导量子比特通常达到 99% 以上的保真度。

科学家们说，即便如此，机械量子比特可能具有独特的优势。例如，它们可以以其他量子系统无法实现的方式与重力等力相互作用，这使它们成为开发高灵敏度量子传感器的有希望的候选者。

他们说，机械量子比特也可能能够将量子信息存储更长的时间。这对于保持相干性至关重要，相干性是衡量系统可以保持稳定并使用量子数据进行计算而不受干扰的指标。

研究人员现在正在努力将多个机械量子比特链接在一起以执行基本计算，他们表示这将标志着该技术迈向实际应用的关键一步。

来源：小强科普社