近期，北京量子信息科学研究院与北京计算科学研究中心和清华大学集成电路学院合作，基于高品质因子的声学量子体系，实现了微波态按需存储及读取，创造了光力相干存储时间的新记录，开发了微波相干态长寿命存储、按需读写等方面的重要应用。2023年8月11日，该研究成果以“Coherent memory for microwave photons based on long-lived mechanical excitations”为题发表在《npj Quantum Information》上。

超导腔光力器件构型及其在量子信息处理领域的应用

近年来，通过光的辐射压力操纵宏观机械振子的状态成为国际上的热门研究领域之一。根据不同系统的物理特性，机械振子可以灵活开展结构设计以及材料选择以实现不同系统之间的耦合。因此，腔光力系统具备强大的系统兼容性以及扩展性，在众多物理量测量与传感方向有着广泛的应用。通过腔场的边带跃迁，热声子被搬运并快速耗散掉，机械振子能够被冷却至其量子基态。量子化的机械振动也被称为声子，依托机械振子的量子声学体系可以与各种天然或人工量子系统耦合，这为不同量子系统之间通讯、互联以及扩展提供了理想且高效的量子相干接口（界面）。与此同时，量子存储器是量子信息处理以及普适量子网络构建的关键模块之一，如长寿命存储器可应用于容错编码以及量子态远距离传输的中继等。具备超长寿命机械模式的腔光力器件是实现量子态存储，电子型量子计算与激光波段通讯网络相干互联的理想候选器件。光辐射压操纵手段也为按需可控的读写等量子态操纵提供了新的技术手段。

图 1 片上超导腔光力器件以及脉冲序列示意图。(a) 超导腔光力器件由金属化的氮化硅薄膜以及Nb膜超导电路组成；(b)薄膜振动构型；(c) 器件集总参数模型示意图；(d) 态的存储以及态的层析脉冲序列。

如图1(a) 所示，微波腔光力器件主要由衔尾蛇结构的超导微波电路谐振器以及金属化后的氮化硅薄膜机械振子组成。与传统倒装焊工艺不同的是，这里采用先倒装焊后金属化的反转工艺流程，极大限度地控制了真空间隙的大小。金属化的氮化硅薄膜与底部电路衔尾结构的耦合电容形成空间电容结构，研究人员在本文提出的反转工艺可进一步降低机械电容真空间隙，提升光力耦合强度，这是实现机械振子基态冷却的关键技术之一。机械振子由高应力的氮化硅薄膜制备而成，第一阶振动模式的有限元仿真如图1(b) 所示。器件的集总参数模型如图1(c) 所示。振动的氮化硅薄膜将改变空间电容的大小，进一步引起微波腔本征频率的移动，构成色散形式的腔光力辐射压耦合。图1(d）展示了微波态存储以及复活的脉冲操作时域序列。

高品质因子的振动模式及其基态冷却

如图2所示，通过机械振子的振动能量弛豫表征以及频谱分析，实验测得机械振子的能量弛豫时间接近16秒，相应能谱线宽低至10.2 mHz，机械振子的品质因子高达7.3千万。如果能够将微波信号存储到该类型机械振子中，微波光子的能量存储寿命将代表目前国际上的最高水平，这正是本工作希望基于机械振子构建量子存储器的驱动原因之一。为了保证被存储微波态的相位相干性，在该工作中，研究人员还克服了低频机械振动边带冷却的关键技术瓶颈，成功将机械振子冷却至基态，这是基于机械振子开展量子调控研究的先决条件。

图 2 机械存储器性能表征 (a) 时域ringdown测试；(b) 振动能谱分析。

量子态层析以及退相干时域演化

在实现机械振子量子基态冷却的基础上，研究人员系统地进行了巡游微波光子的捕获、存储以及复活等过程的相关研究工作。实验中先通过恒定的边带驱动将机械存储器初始化到基态。随后信号脉冲在写入脉冲作用下，其幅度以及相位信息将被映射到机械存储器件（即机械模式）中，随即关闭写入脉冲，信号写入停止。被写入的信号将在机械存储器中经历能量退相干以及环境热库导致的量子退相干等。当需要进一步处理目标微波脉冲信号时，读出脉冲将被施加以复活存储在机械谐振存储器中的信号。值得注意的是，写入以及读出脉冲均为幅度恒定的边带驱动场。实验中边带驱动场扮演了多重角色，包括振子初始化、写入以及读出。为了提高信号的写入效率，信号脉冲被调制成了指数上升包络，以抵抗写场引入的光阻尼（衰减）。当信号的指数增益速率与写场引入的衰减率匹配时，写入的量子效率达到最高。重复上千次读写并对信号进行正交方向投影处理后可以得到宏观机械振子的量子态相空间分布。由于热噪声具有随机性，且服从均值为零的高斯分布，因此量子态相空间分布方差代表热声子数目，平均值代表信号的相干成分。通过对态分布的时域变化表征，研究人员发现器件中存储微波光子的退相干时间高达55.7毫秒，如图3所示。为了实现单光子水平的量子态的相干存储，后续工作将进一步将机械振子冷却到更低的热声子数目。

图3 机械存储器中热声子与相干微波光子的时域演化

图 4 各类型腔光力存储器的相干寿命汇总

实验结果显示，当机械谐振模式被冷却至其量子基态后，振子热噪声被极大抑制。基于机械振子的量子存储器研究是当下的热门领域，国际各个研究组都在追求更极致的器件性能。图4展示了当下国际各研究组在基于机械振子的光场相干存储寿命方面的技术指标。该工作实现了微波态按需存储以及读取，存储微波态能量退相干时间近16秒，量子退相干时间达55毫秒，创造了光力相干存储时间的新记录。这一技术突破将为超导量子编码存储、微波光子中继互联、量子引力的基本测试，甚至暗物质的寻找带来新的机遇。

我院副研究员刘玉龙与高级工程师刘其春为以上研究成果的共同第一作者，清华大学集成电路学院/量子院兼聘研究员李铁夫为通讯作者，主要合作者还包括我院助理研究员孙换莹、高级工程师陈墨、北京计算科学研究中心王帅鹏博士。该工作得到了我院微纳加工平台、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市国际科技合作中心国际港澳台合作项目的大力支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41534-023-00749-x