【儀表網 研發快訊】近日, 北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)，量子計算云平臺李鐵夫、劉玉龍團隊與芬蘭Aalto大學、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，成功研制出多模態長壽命的光聲量子存儲器。存儲器在模式穩定性以及信息存儲時長等關鍵性能上刷新了國際記錄。2025年1月31日，相關成果以“Degeneracy-breaking and long-lived multimode microwave electromechanical systems enabled by cubic silicon-carbide membrane crystals”為題在線發表于國際知名期刊《自然-通訊》(Nature Communications)上。
光聲接口器件作為量子信息處理的關鍵技術，一直以來都備受科研人員的關注。高品質因子(Q 因子)機械振子在這些領域中扮演著至關重要的角色，其性能的優劣直接影響到量子信息的存儲、傳輸和處理效率。然而，傳統材料和結構的機械振子在 Q 因子和頻率穩定性等方面存在一定的局限性，難以滿足日益增長的量子技術需求。3C-SiC 作為一種具有優異性能的半導體材料，以其高熱導率和高應力特性，為高 Q 因子機械振子的研發提供了新的可能。
研究團隊在 3C-SiC 薄膜晶體中發現了機械振動模式簡并破缺現象。表現為非均勻應力的作用下，原本簡并的機械模式發生頻率分裂，形成具有微小頻率差異的模式對。這些模式對不僅保留了高 Q 因子的特性，還展現出獨特的模式形狀，為微波光聲接口系統的精確控制提供了更多選擇。例如，(1,3)和(3,1)模式對，以及(1,4)和(4,1)模式對等，都表現出極高的 Q 因子，且具有明顯的中心垂直位移，這使得它們能夠通過微波腔電機械相互作用被有效地讀取，部分模式對的表面振動形貌如圖1所示。
圖1 應力主導下方膜的模態形狀和有效機械電容。a奇數階簡并模式破缺；b偶數階模式破缺；c可有效構筑機械模式；d無效耦合的機械模式
為驗證 3C-SiC 膜晶體的性能，研究團隊設計并搭建了一套精巧的實驗裝置。該裝置如圖2所示，包括一個三維超導微波諧振腔和一個機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，通過金屬化處理和特定電極結構設計，實現了與微波腔場的高效耦合。實驗中，研究人員采用了連續波泵浦-探測方案和脈沖泵浦-探測序列，對機械振子的性能進行了全面測試和表征。通過精確控制外部驅動功率和探測信號的頻率，研究人員能夠實時監測機械振子的動態行為，包括其共振頻率、Q 因子以及能量衰減率等關鍵參數。
圖2 器件裝置以及耦合結構示意圖。a 基于三維超導腔以及碳化硅單晶薄膜的光聲接口器件；b 機械電容耦合示意圖；c 機電芯片集總電路圖
單晶碳化硅薄膜所提供的聲學模式具備極高的頻率穩定性，為構建多模態光聲存儲器件開辟新篇章。實驗中研究團隊表征了21 個機械模式，其中 19 個模式的Q 因子超過了108，展現出極高的品質因子(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，這些優異的性能指標為量子信息處理中的長壽命存儲和低噪聲操作提供了堅實的基礎。此外，研究人員還實現了4035秒，超過長達一小時的群延遲時間，如圖3c所示。這一成果在微波電機械系統中尚屬首次。受益于極高的穩定性，振子能量退相干結果如圖3d所示，單晶碳化硅薄膜為慢光技術和光信號存儲開辟了新的篇章。
圖3 光聲存儲器件聲學多模態品質因子以及微波群延時表征。a簡并模式破缺誘導的高Q因子模式對；b低溫下測量的聲學振子品質因子；c聲學模式群延遲時間與失諧頻率的關系; d聲學模式能量隨時間衰減變化圖
該項工作在振子的穩定性、慢光群延時以及聲子的相干存儲時間等關鍵指標方面創造了多個世界記錄。本研究通過在 3C-SiC 膜晶體中引入簡并破缺現象，成功實現了高 Q 因子機械振子的突破。這種長時間高穩定的機械振動為固態量子信息存儲帶來了新的可能性，同時為高精度傳感器和異構網絡的構建帶來了新的機遇。后續團隊將進一步推動多通道高性能“微波-光”量子相干接口核心儀器的構建，為分布式量子網絡構建提供重大支撐作用，為量子信息處理等領域提供高性能的物理平臺。
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、高級工程師劉其春、吳海華、芬蘭 Aalto大學 Mika A. Sillanp?? 教授以及量子院工研部部長李鐵夫研究員。本工作得到了北京市國際港澳臺合作項目、國家自然科學基金委和中國科協青年人才托舉工程等相關項目的資助。
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