金刚石上的体声波谐振器，用于声学轨道控制。图片来源：PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.030336

康奈尔大学的研究人员已经证明，当电子围绕钻石中的晶格缺陷运行时，声波可用于控制电子的运动，这种技术可能会提高量子传感器的灵敏度，并用于其他量子器件。

量子信息技术的进步需要找到控制电子和其他微观粒子的新方法。在一篇题为“强驱动极限中缺陷轨道状态的相干声学控制”的文章中，应用和工程物理学教授 Gregory Fuchs 和他的博士后助理 Brendan McCullian 与文理学院物理学教授 Erich Mueller 和他的博士生 Vaibhav Sharma 合作，设计了一个环境，使声波可以在电子轨道之间驱动“量子跃迁”。

这项工作发表在《PRX Quantum》杂志上。

McCullian 在金刚石芯片的表面构建了一个微型扬声器，其工作频率与电子转换完全匹配。使用类似于磁共振成像的技术，他能够展示对金刚石芯片内单个电子的相干控制。

量子比特（经典计算机中比特的量子模拟）必须保持相干或处于稳定状态，才能执行有用的操作。这种相干性非常脆弱，很容易因环境波动而丢失，例如当附近的电子从一个位置跳到另一个位置时。多年来，科学家们通过使用一种称为自旋共振的技术来延长量子比特相干时间，该技术使用微波和磁场来改变电子行为。Fuchs 和他的团队试图将这项技术扩展到声学领域并提高轨道的相干性。

Fuchs 说：“我们以一种有点类似于自旋共振的方式对轨道状态进行声学驱动，然后使用已建立的自旋共振技术工具箱来研究该轨道状态的相干性。“对我们来说，我们可以做一个轨道版本的自旋共振非常有趣：利用我们从自旋共振中了解到的那些工具——例如，相干控制和拉比振荡——并使用几千兆赫兹的声学谐振器，将其映射到轨道状态上，看看这些技术仍然有效。”

Fuchs 的工作有助于推进对氮空位 （NV） 中心的认识，氮空位 （NV） 中心是金刚石晶格中的一种缺陷，是传感和量子网络的重要量子比特，并帮助开发新工具来对抗导致光谱扩散的环境波动，这可能会在量子网络应用中引起重大问题，这些应用依赖于稳定的光跃迁，其中每个发射光子的频率都是相同的。

“通过研究 NV 中心如何与这些噪声源交互，并找到使用我们通常为自旋保留的工具来修改这种交互的方法，我们已经找到了一种可以使其与轨道状态一起工作的方法。这是对科学的重要补充，“Fuchs 说。“这个项目也是团队之间协作方式的一个例子。实验技术是在我的实验室开发的，但后来我们与物理系的一个小组合作，他们提供了理论分析，并帮助我们构建了预测和对结果的理解。

“这是一次非常有益的合作，”Mueller 说。“声波通过一种类似于在游乐场秋千上'泵送'的机制来激发电子。当振动与电子运动同步时，它们可以将能量传递给电子运动。人们可以用本质上是扬声器的东西来控制电子的运动，这真是太神奇了。

更多信息：B.A. McCullian et al， Coherent Acoustic Control of Defect Orbital States in the Strong-Driving Limit， PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.030336

期刊信息： PRX Quantum