当我们想到量子力学系统时，单个光子、完全隔离的离子和原子可能会出现在脑海中，或者电子在晶体中扩散。在量子力学的背景下，更奇特的是真正的机械量子系统。也就是说，大质量的物体，其中机械运动（如振动）是被量化的。在一系列开创性的实验中，机械系统的基本量子力学特征已经被观察到，包括能量量子化和纠缠。

然而，为了将此类系统用于基础研究和技术应用，观察量子特性只是第一步。下一步是掌握机械量子物体的处理，以便可以控制、测量它们的量子状态，并最终在类似设备的结构中加以利用。苏黎世联邦理工学院物理系的Zhu Yiwen小组现在已经朝着这个方向取得了重大进展。他们在《自然物理学》杂志上撰文，报告了从机械量子系统中提取信息而不会破坏宝贵的量子态。这一进步为量子纠错等应用铺平了道路。

大规模量子力学

ETH 的物理学家使用一块厚度不到半毫米的优质蓝宝石板作为他们的机械系统。在它的顶部有一个薄的压电换能器，它可以激发声波，这些声波在底部反射，从而延伸到平板内部一个明确的体积。这些激发是大量原子的集体运动，但它们是量子化的（以称为声子的能量单位），并且至少在原则上可以以与原子的量子态非常相似的方式进行量子操作，光子和电子都可以。

有趣的是，可以将机械谐振器与其他量子系统，特别是与超导量子位连接起来。后者是微型电子电路，其中电磁能态被量化，它们目前是构建可扩展量子计算机的领先平台之一。与超导电路相关的电磁场使量子位能够耦合到声谐振器的压电换能器，从而耦合到其机械量子态。

在这种混合量子比特谐振器设备中，可以结合两个世界的优点。具体来说，超导量子比特高度发达的计算能力可以与声学模式的稳健性和长寿命同步使用，可以用作量子存储器或传感器。然而，对于这样的应用，仅仅耦合量子比特和谐振器状态是不够的。例如，直接测量谐振器中的量子态会破坏它，使重复测量变得不可能。相反，需要的是能够以更温和、更可控的方式提取有关机械量子态的信息。

非破坏性的路径

Zhu Yiwen带领的博士生Uwe von Lüpke、Yu Yang和Marius Bild与Branco Weiss研究员Matteo Fadel合作，并在学期项目学生Laurent Michaud的支持下，现在已经实现这种所谓的量子非破坏性测量的协议。在他们的实验中，测量期间超导量子比特和声谐振器之间没有直接的能量交换。相反，量子比特的特性取决于声谐振器中的声子数量，无需直接“接触”机械量子态——想想Theremin，一种乐器，这种乐器的音高取决于音乐家的手的位置，而不需要与乐器进行物理接触。

创建一个混合系统，其中谐振器的状态反映在量子比特的频谱中，这是极具挑战性的。对于量子态在量子位和谐振器中可以维持多长时间，在它们由于外部的缺陷和扰动而消失之前，存在严格的要求。因此，该团队的任务是延长量子位和谐振器量子态的寿命。他们通过一系列改进取得了成功，包括仔细选择所使用的超导量子比特类型，并将混合设备封装在超导铝腔中以确保紧密的电磁屏蔽。

在需要了解的基础上提供量子信息

在成功地将他们的系统推入所需的运行状态（被称为“强色散状态”）后，该团队能够在以不同幅度激发声谐振器后轻轻提取声子数分布。此外，他们展示了一种方法，可以在一次测量中确定谐振器中的声子数量是否是偶数或奇数——所谓的奇偶性测量——无需了解有关声子分布的任何其他信息。在许多量子技术应用中，获得这种非常具体的信息，而不是其他信息，是至关重要的。例如，奇偶校验的变化（从奇数到偶数的转变，反之亦然）可以表明错误已经影响了量子态并且需要进行校正。当然，这里重要的是，待校正​​状态不被破坏。

然而，在这种纠错方案的实现成为可能之前，有必要进一步完善混合系统，特别是需要提高操作的保真度。但到目前为止，量子纠错并不是唯一的用途。科学文献中有大量令人兴奋的关于量子信息协议的理论建议，以及受益于声量子态存在于大质量物体中的基础研究。例如，这为探索大型系统极限中的量子力学范围以及利用机械量子系统作为传感器提供了独特的机会。

参考链接：

https://phys.org/news/2022-05-gentle-mechanical-quantum.html

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01591-2

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