聲子是構成聲波振動能量的最小單位，雖然不是物質，但它們可以被視為粒子，就像光子是光的粒子一樣。
在原型量子計算機中光子通常用來存儲信息，因為這可以利用量子效應實現前所未有的處理能力。儘管對聲子的操縱需要在極為精細的尺度上，但用其代替光子還是會有一些好處。
近日，本源量子首席科學家、中國科學技術大學郭國平教授，中國科學技術大學宋驤驤副研究員，鄧光偉副研究員（現電子科技大學研究員）等人同美國加州大學默塞德分校田琳教授，以及本源量子公司合作，在納米諧振子聲模相干操控方面取得重要進展，實現了空間上非直接連接的諧振子之間的聲子模式相干操控。
相關研究成果以Coherent phonon dynamics in spatially separated graphene mechanical resonators為題，發表在3月2日出版的《美國科學院院報》(PNAS)上。
Coherent phonon dynamics in spatially separated graphene mechanical resonators
《美國科學院院報》（PNAS）與《Cell》、《Nature》、《Science》齊名，是世界公認的四大頂尖學術刊物、被引用次數最多的綜合學科文獻之一。
自1914年創刊至今，PNAS提供具有高水平的前沿研究報告、學術評論、學科回顧及前瞻、學術論文以及美國國家科學學會學術動態的報道和出版，收錄的文獻涵蓋醫學、化學、生物、物理、大氣科學、生態學和社會科學等。
演示非近鄰諧振子聲子模式的Rabi振盪、Ramsey干涉及其電學調控性能
隨著納米技術的快速發展，人們發現可以利用表面聲波、納米諧振子等器件來產生、傳遞和操控少數甚至是單個聲子，並探索其在經典和量子信息處理方面的應用，其中諸多應用均需要以實現不同諧振模式之間的相干操控為前提。
空間上近鄰耦合諧振子聲子模式的研究，國際上已有報道，但不相鄰聲子模式之間長程可控的相干信息傳遞仍然是國際上一個尚未攻克的挑戰。
針對這一難題，郭國平教授研究組圍繞納米諧振子中的聲子模式操控，在之前取得的近鄰諧振子及其相干操控的系列進展(Nano Lett.16, 5456 (2016)；Nano Lett.17, 915(2017))和靜態電學可調非近鄰諧振子耦合的工作(Nat. Commun. 9, 383 (2018))基礎上，設計製備了三個石墨烯納米諧振子串聯耦合器件。
具有三個石墨烯納米諧振子鏈的器件結構示意圖和掃描電子顯微鏡圖像。
利用石墨烯優異的電學和力學性能，實現了以中間諧振子作為傳遞媒介，兩端非近鄰諧振子聲子模式之間的可調強耦合。
通過樣品結構和測量方案的優化，耦合強度和品質因數相比於之前的工作分別有一個和兩個量級的提升，協同係數達到10^7，比國際上已報道的結果高出數個量級。
在同時實現可調性能強、耦合強度高、相干性能好的基礎上，課題組演示了非近鄰諧振子聲子模式的Rabi振盪、Ramsey干涉及其電學調控性能。
（a）樣品電子顯微鏡側視圖，懸浮部分為石墨烯條帶。
（b）非近鄰納米級諧振子間的Rabi振盪圖樣。
（c）非近鄰納米級諧振子間的Ramsey干涉。
該工作首次在實驗上實現非近鄰聲子模式之間的可控相干操控，為進一步利用納米諧振子器件中的聲子模式來進行信息的相干存儲和相干傳遞創造了條件，拓展了基於納米聲學的聲光電一體化器件的可能性。
審稿人評價“這些結果明顯超越了現有諧振子在經典區域中的相干操作水平(These resultsclearly go beyond what has been achieved thus far on the coherent manipulationof resonators in the classical regime)”。
為基於聲子體系的新型雜化量子信息器件研發提供新途徑
納米技術的快速發展，使得使用長壽命振動聲子模進行經典和量子信息處理成為可能。
儘管在過去的十年中不斷努力，但聲子模式之間可調的傳遞和操控在技術上仍然具有挑戰性。
利用石墨烯優異的電學和力學性質，可以在空間分離的石墨烯機械諧振子之間實現電學可調的相干聲子動力學。實驗結果表明，以振動模式編碼的信息可以在空間分離的諧振子之間存儲、傳輸和操作。
本研究成果不僅證明了非近鄰聲子之間的信息傳遞，而且為基於聲子的可擴展信息處理提供了基礎。
隨著基態冷卻技術的進一步發展，該成果也將為量子區域聲子態的電學操控，以及基於聲子體系的新型雜化量子信息器件的研發提供新的途徑。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/02/28/1916978117
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