声波控制原子空位可增强通信技术，为量子计算提供新的控制机制 ​

声波控制原子空位可增强通信技术，为量子计算提供新的控制机制

声波谐振器比电子谐振器更稳定，但它们会随着时间的推移而老化。目前还没有简单的方法来主动监测和分析这些广泛使用的器件的材料质量下降。

现在，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS，Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ）的研究人员与普渡大学（Purdue University）OxideMEMS Lab的研究人员合作，开发了一种系统，该系统利用碳化硅中的原子空位来测量声波谐振器的稳定性和质量。更重要的是，这些空位还可用于声控量子信息处理，提供了一种操纵嵌入这种常用材料中的量子态的新方法。

“碳化硅是量子报告器和声波谐振器探针的宿主，是一种现成的商业半导体，可以在室温下使用。”该论文的资深作者Evelyn Hu说，“作为一种声波谐振器探针，碳化硅中的这种技术可用于监测加速度计、陀螺仪和时钟在其生命周期内的性能，并且在量子方案中，具有混合量子存储器和量子网络的潜力。”

该研究发表在《自然电子学》（Nature Electronics）上。

了解声波谐振器内部

碳化硅是微机电系统（MEMS，microelectromechanical systems）的常用材料，包括体声波谐振器。

“特别是晶圆级可制造碳化硅谐振器，在质量因数方面具有一流的性能。”普渡大学Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering教授、论文合著者Sunil Bhave说，“但是晶体生长缺陷（如位错和晶界）以及谐振器制造缺陷（如粗糙度、系绳应力和微尺度陨石坑）会导致MEMS谐振器内部出现应力集中区域。”

今天，在不破坏声波谐振器的情况下观察声波谐振器内部发生情况的唯一方法是使用超级强大且非常昂贵的X射线。

“这些类型昂贵且难以得到的机器无法部署在铸造厂或实际制造或部署这些设备的地方进行测量或表征。”该论文的共同第一作者，SEAS研究生Jonathan Dietz说，“我们的动机是尝试开发一种方法，使我们能够监测体声波谐振器内部的声能，这样你就可以将这些结果反馈到设计和制造过程中。”

夹在碳化硅声波谐振器（蓝色）顶部的两个电极（黄色）之间的压电层（绿色）。电极和压电层产生的声波对晶格施加机械应变，从而翻转缺陷的自旋（红色）。用聚焦在谐振器背面的激光读取自旋。（图片来源：Hu Group/Harvard SEAS）

碳化硅通常具有自然发生的缺陷，其中原子从晶格中移除，产生空间局部电子状态，其自旋可以通过材料应变（例如声谐振器产生的应变）与声波相互作用。

当声波穿过材料时，它们会在晶格上施加机械应变，从而翻转缺陷的旋转。可以通过将激光照射材料来观察自旋状态的变化，以查看有多少缺陷在扰动后处于“打开”或“关闭”状态。

“光线的暗淡或明亮程度表明缺陷所在局部环境中的声能有多强。”SEAS的研究生，该论文的合著者Aaron Day说，“因为这些缺陷只有单个原子那么大，所以它们给你的信息是非常局部的，因此，你实际上可以以这种非破坏性的方式绘制出设备内部的声波。”该映射可以指出系统可能在哪里以及如何降级或运行不最佳。

声学控制

碳化硅中的这些缺陷也可以是量子系统中的量子比特。

今天，许多量子技术都建立在自旋的相干性之上：自旋将在特定状态下保持多长时间。这种相干性通常由磁场控制。

但是，通过研究团队证明，他们可以通过用声波对材料进行机械变形来控制自旋，从而获得类似于使用交变磁场的其他方法的控制质量。

“利用材料的自然力学特性——应变扩大了我们对材料的控制范围，”Hu说，“当我们使材料变形时，我们发现我们还可以控制自旋的相干性，我们可以通过发射声波穿过材料来获得这些信息。它为材料的内在属性提供了一个重要的新处理方法，我们可以用它来控制嵌入在该材料中的量子态。”

该研究由Boyang Jiang共同撰写。该研究由美国国家科学基金会资助，基金编号为RAISE-TAQS Award 1839164，基金编号为DMR-1231319。

信息源于：哈佛大学

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