谐振器-量子比特组合的非经典力学状态示意图。transmon 量子比特电容耦合到单独蓝宝石板的声学机械模式，其中一个蓝宝石板表示为一系列蓝色和红色反节点。从这种相互作用中，非经典力学状态就产生了。三个小插图再现了 i） 压缩振动状态、ii） 非高斯振动状态和 iii） 非高斯振动状态的 Wigner 函数，Wigner 函数的负值很大，具有强烈的非经典性特征。图片来源：改编自参考文献 7，施普林格自然有限公司 小插图转载自参考文献 1，施普林格自然有限公司。

机械系统非常适合实现量子信息处理、量子传感和玻色子量子模拟等应用。然而，这些系统在这些应用中的有效使用依赖于以独特方式操纵它们的能力，特别是通过“挤压”它们的状态并在量子体系中引入非线性效应。

苏黎世联邦理工学院由Matteo Fadel博士领导的一个研究小组最近推出了一种在非线性机械振荡器中实现量子压缩的新方法。这种方法在发表在《自然物理学》上的一篇论文中进行了概述，可能对量子计量和传感技术的发展产生有趣的影响。

“最初，我们的目标是准备一种机械压缩态，即沿一个相空间方向减少量子涨落的量子运动态，”Fadel告诉 Phys.org。“这种状态对于量子传感和量子模拟应用非常重要。它们是具有连续可变系统的量子计算的通用门集中的门之一，这意味着机械自由度、电磁场等，而不是作为离散变量系统的量子比特。

在进行实验并试图获得越来越多的挤压时，Fadel和他的同事们意识到，在达到一定阈值之后，机械状态不仅变得更窄（即更挤压）和更细长。此外，他们发现状态开始围绕自身扭曲/旋转，遵循类似“S”甚至“8”的模式。

“我们没有预料到这一点，因为非高斯状态的准备需要机械振荡器中显着的非线性，所以我们非常惊讶，但当然也很兴奋，”Fadel解释说。

“典型的机械非线性非常小，机械振荡器和光/微波场之间的典型耦合也是线性的。然而，很容易意识到，在我们的设备中，谐振器从它耦合的量子比特继承了一些非线性。

研究人员发现，谐振器继承的非线性非常强，导致了他们观察到的迷人效应。在他们最近的论文中，他们展示了这种在这个非线性机械系统中实现量子压缩的新方法。

该团队实验中使用的系统由一个超导量子比特组成，该量子比特通过压电材料制成的圆盘耦合到机械谐振器。这两个系统之间的耦合导致谐振器的有效非线性。

“当以正确的频率将双音驱动器应用于系统时，f1+楼2=2*fm（其中 f1和 f2是双音驱动频率和 fm机械模式的频率），发生参数化过程：两个频率为 f 的微波光子1和 f2从驱动器转换为频率为 f 的一对声子m的机制，“法德尔说。

“这与光学中的参数转换过程非常相似，其中光场被发送到非线性晶体，该晶体以与我描述的类似方式产生挤压。

该研究小组引入的实现机械挤压的新方法可能很快为量子器件的研究和开发开辟新的机会。在他们的实验中，Fadel和他的同事们还用他们的方法演示了非高斯运动状态的准备，并证实了他们的机械谐振器表现出可调的非线性。

“值得注意的是，我们在谐振器中观察到的非线性是可调的，因为它取决于量子比特和谐振器频率之间的差异，这可以在实验中控制，”Fadel说。

“压缩态的实现在量子计量学和使用连续变量的量子信息处理中具有重要的应用。非高斯态也可以用作量子信息任务和量子力学基础研究的资源。

在他未来的研究中，Fadel希望进一步研究基于最近这篇论文中介绍的方法实现机械量子模拟器的可能性。具体来说，该模拟器可以利用独立寻址和控制团队声学谐振器中数十种玻色子模式的可能性。

“我们的设备还可以在量子增强的力传感，引力波甚至基础物理学测试中找到有趣的应用，”Fadel补充道。“最近，我们在后续工作中表明，机械非线性可以如此强大，以至于它使我们能够实现机械量子比特。

更多信息：Stefano Marti 等人，非线性机械振荡器中的量子挤压，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02545-6

期刊信息： Nature Physics