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近日，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“北京量子院”），量子計(jì)算云平臺(tái)李鐵夫、劉玉龍團(tuán)隊(duì)與芬蘭Aalto大學(xué)、QTF量子研究中心Mika A.Sillanp?? 教授合作，基于高硬度的單晶碳化硅薄膜材料，成功研制出多模態(tài)長(zhǎng)壽命的光聲量子存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器在模式穩(wěn)定性以及信息存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵性能上刷新了國(guó)際紀(jì)錄。2025年1月31日，相關(guān)成果以“Degeneracy-breaking and long-lived multimode microwave electromechanical systems enabled by cubic silicon-carbide membrane crystals”為題在線發(fā)表于國(guó)際知名期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上。

光聲接口器件作為量子信息處理、量子計(jì)算和量子通信等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，一直以來都備受科研人員的關(guān)注。高品質(zhì)因子（Q因子）機(jī)械振子在這些領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，其性能的優(yōu)劣直接影響到量子信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理效率。然而，傳統(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)械振子在Q因子和頻率穩(wěn)定性等方面存在一定的局限性，難以滿足日益增長(zhǎng)的量子技術(shù)需求。3C-SiC作為一種具有優(yōu)異性能的半導(dǎo)體材料，以其高熱導(dǎo)率和高應(yīng)力特性，為高Q因子機(jī)械振子的研發(fā)提供了新的可能。

研究團(tuán)隊(duì)在 3C-SiC 薄膜晶體中發(fā)現(xiàn)了機(jī)械振動(dòng)模式簡(jiǎn)并破缺現(xiàn)象。表現(xiàn)為非均勻應(yīng)力的作用下，原本簡(jiǎn)并的機(jī)械模式發(fā)生頻率分裂，形成具有微小頻率差異的模式對(duì)。這些模式對(duì)不僅保留了高Q因子的特性，還展現(xiàn)出獨(dú)特的模式形狀，為微波光聲接口系統(tǒng)的精確控制提供了更多選擇。例如，（1,3）和（3,1）模式對(duì)，以及（1,4）和（4,1）模式對(duì)等，都表現(xiàn)出極高的 Q 因子，且具有明顯的中心垂直位移，這使得它們能夠通過微波腔電機(jī)械相互作用被有效地讀取，部分模式對(duì)的表面振動(dòng)形貌如圖1所示。

為驗(yàn)證 3C-SiC 膜晶體的性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并搭建了一套精巧的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置如圖2所示，包括一個(gè)三維超導(dǎo)微波諧振腔和一個(gè)機(jī)械平行板電容器芯片。3C-SiC 膜芯片被精心制作并安裝在諧振腔內(nèi)，通過金屬化處理和特定電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與微波腔場(chǎng)的高效耦合。實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用了連續(xù)波泵浦-探測(cè)方案和脈沖泵浦-探測(cè)序列，對(duì)機(jī)械振子的性能進(jìn)行了全面測(cè)試和表征。通過精確控制外部驅(qū)動(dòng)功率和探測(cè)信號(hào)的頻率，研究人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械振子的動(dòng)態(tài)行為，包括其共振頻率、Q 因子以及能量衰減率等關(guān)鍵參數(shù)。

單晶碳化硅薄膜所提供的聲學(xué)模式具備極高的頻率穩(wěn)定性，為構(gòu)建多模態(tài)光聲存儲(chǔ)器件開辟新篇章。實(shí)驗(yàn)中研究團(tuán)隊(duì)表征了21個(gè)機(jī)械模式，其中19個(gè)模式的Q 因子超過了108，展現(xiàn)出極高的品質(zhì)因子（如圖3所示）。特別值得一提的是，（1,3）模式共振頻率為 871.318 kHz，Q 因子達(dá)到了1.18×108，能量衰減率僅為 8.2 mHz，純退相干率更是低至 0.28 mHz，這些優(yōu)異的性能指標(biāo)為量子信息處理中的長(zhǎng)壽命存儲(chǔ)和低噪聲操作提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，研究人員還實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)的群延遲時(shí)間，如圖3c所示。這一成果在微波電機(jī)械系統(tǒng)中尚屬首次。受益于極高的穩(wěn)定性，振子能量退相干結(jié)果如圖3d所示，單晶碳化硅薄膜為慢光技術(shù)和光信號(hào)存儲(chǔ)開辟了新的篇章。

該項(xiàng)工作在振子的穩(wěn)定性、慢光群延時(shí)以及聲子的相干存儲(chǔ)時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)方面創(chuàng)造了多個(gè)世界紀(jì)錄。本研究通過在 3C-SiC 膜晶體中引入簡(jiǎn)并破缺現(xiàn)象，成功實(shí)現(xiàn)了高 Q 因子機(jī)械振子的突破。這種長(zhǎng)時(shí)間高穩(wěn)定的機(jī)械振動(dòng)為固態(tài)量子信息存儲(chǔ)帶來了新的可能性，同時(shí)為高精度傳感器和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建帶來了新的機(jī)遇。后續(xù)團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步推動(dòng)多通道高性能“微波-光”量子相干接口核心儀器的構(gòu)建，為分布式量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供重大支撐作用，為量子信息處理等領(lǐng)域提供高性能的物理平臺(tái)。

該論文作者包括北京量子院副研究員劉玉龍、助理研究員孫換瑩、高級(jí)工程師劉其春、吳海華、芬蘭Aalto大學(xué)MikaA.Sillanp??教授以及北京量子院工研部部長(zhǎng)李鐵夫研究員。該工作得到了北京市國(guó)際港澳臺(tái)合作項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程等相關(guān)項(xiàng)目的資助。