【儀表網 研發快訊】近日，北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)量子接口器件與系統團隊在基于碳化硅薄膜機械振子的多模腔光力研究中取得重要進展。研究團隊揭示了多模腔光力系統中機械模式的調控機制，實現了非對稱應力的高精度解析與高保真度態交換，為薄膜材料非對稱應力的高精度表征、多模聲子量子信息存儲器件和量子網絡的構建提供了新途徑。2026年2月26日，相關成果以“立方碳化硅機械模式對中的優異頻率穩定性和長壽命態交換”(Superior Frequency Stability and Long-Lived State-Swapping in Cubic-SiC Mechanical Mode Pairs)為題發表于npj Quantum Information。
聲子作為熱、電、光之間相互作用的重要媒介，在熱管理、材料科學和量子信息處理等領域具有廣泛應用?；诙鄼C械模式的光力學和電機械系統不僅在量子存儲、量子轉換方面具有重要應用前景，更是研究量子糾纏、多模聲子激射和非互易光子(聲子)傳輸等有趣物理現象的理想平臺。
對于典型的方形薄膜諧振器，在各項同性應力下，相同模指數m和n的模式會出現簡并。盡管這些簡并模式共享相同的共振頻率，但其模形狀不同，這限制了能夠與同一腔模耦合的機械模式數量。此外，簡并機械模式自發形成的暗態也會阻礙基態冷卻以及宏觀壓縮態或糾纏態的制備。研究團隊發現，通過在薄膜中引入沿x軸和y軸的非對稱應力可以破除機械模式的簡并狀態，這種應力各向異性誘導的簡并破除模式具有相似的振動形狀和共振頻率，為構建單個光模與多個機械模對耦合的多模系統提供了新思路。
考慮到非對稱應力對機械振子振動模式的影響，研究團隊推導出薄膜在非對稱應力下的共振頻率表達式。對57個機械模式進行集體擬合的結果顯示，不同方向的應力差在亞MPa量級，該結果顯著優于現有商業薄膜應力分析儀器的性能。當前，X射線衍射、拉曼光譜等傳統應力分析方法的分辨率通常在數十MPa量級。該研究方法為薄膜材料非均勻應力的高精度表征提供了一種新思路。
研究團隊進一步將該碳化硅薄膜振子與超導微波諧振腔集成，構建了基于碳化硅薄膜振子的腔電機械系統?；谠撓到y的實驗研究結果展示，在10mK低溫環境下機械模式的品質因子高達108量級。通過艾倫偏差分析，機械諧振器的頻率穩定性達到了6×10-10(積分時間3×104秒)。該結果為現有文獻所報道的，面外振動模式頻率穩定性的最高水平。
基于機械模式的高品質因子以及兩個機械模式與共享腔模之間強耦合等優異性能，研究團隊利用受激拉曼絕熱通道(STIRAP)方案成功演示了近簡并機械模對之間的相干態交換實驗，實現了高于78%的態轉移效率。圖2展示了光力受激拉曼絕熱通道方案和態交換過程中模式聲子布居數隨時間的變化圖像。
該研究不僅為薄膜材料的應力分析提供了新思路，也為發展基于多模聲子器件的量子網絡和量子模擬研究開辟了新途徑。審稿人對碳化硅薄膜振子頻率穩定性以及提出的應力測試表征新方案兩方面給予了高度認可。
該論文第一作者為量子院助理研究員孫換瑩、博士生陳炎霖以及高級工程師劉其春，通訊作者為量子院副研究員劉玉龍和量子院兼聘/清華大學副教授李鐵夫。論文合作者還包括量子院高級工程師吳海華和王宇清。該工作得到國家自然科學基金重大研究計劃、北京市自然科學基金重點項目、北京市國際港澳臺合作項目等的支持。
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