新的表面声波技术可能导致在量子互联网上冲浪

以橙色和蓝色显示的光束照射在表面声波谐振器上，它们的相互作用由精确设计的腔体控制。在这个回音室内，光与表面声波强烈耦合。图片来源：Arjun Iyer

罗切斯特大学（University of Rochester）的研究人员利用表面声波克服了实现量子互联网的重大障碍。

在发表在《自然通讯》上的一项新研究中，罗切斯特光学研究所和物理与天文学系的科学家描述了一种将光和声音粒子配对的技术，该技术可用于忠实地将存储在量子系统中的信息（量子比特）转换为光场，可以远距离传输。

什么是表面声波？

表面声波是沿着材料外部滑动的振动，例如海洋中的波浪或地震期间地面的震动。它们被用于各种应用——我们手机的许多电气元件都具有表面声波滤波器——因为它们可以制造出非常精确的腔体，可用于导航等用途的精确计时。但科学家们也开始在量子应用中使用它们。

“在过去的10年里，表面声波已成为量子应用的良好资源，因为声子或单个声音粒子可以很好地耦合到不同的系统，”光学和物理学副教授William Renninger说。

使用现有方法，通过压电材料访问、操纵和控制表面声波，将电转化为声波，反之亦然。然而，这些电信号必须施加到插入声腔中间的机械手指上，这通过以必须补偿的方式散射声子而引起寄生效应。

罗切斯特大学（University of Rochester）的研究人员，包括光学研究生Arjun Iyer（前）和Wendao Xu，设计了声腔或微小的回声室，以将表面声波与光强耦合。这些设备制造简单，体积小，并且能够处理大量功率。图片来源：罗切斯特大学照片 / J. Adam Fenster

使用光来操纵表面声波

Renninger的实验室没有将声子耦合到电场，而是尝试了一种侵入性较小的方法，将光照射在空腔上，并消除了机械接触的需要。

“我们能够将表面声波与光强烈耦合，”光学博士生、该论文的第一作者Arjun Iyer说。“我们为这些波设计了声腔或微小的回声室，声音可以持续很长时间，从而实现更强的相互作用。值得注意的是，我们的技术适用于任何材料，而不仅仅是可以电控的压电材料。

Renninger的团队与物理学副教授John Nichol的实验室合作，制作了研究中描述的表面声波设备。除了产生强大的量子耦合外，这些器件还具有制造简单、体积小和处理大量功率的能力等额外优点。

除了在混合量子计算中的应用外，该团队还表示，他们的技术还可用于光谱学，以探索材料的性质，如传感器，并研究凝聚态物理学。

更多信息：Arjun Iyer 等人，表面声波器件的相干光耦合，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-48167-7

期刊信息： Nature Communications