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美國研究人員最近製作出能將量子電訊號轉為量子光訊號的奈米機械元件。雖然此原型裝置目前僅能在古典範疇下運作，但未來改良後可望能作為量子通訊所需的量子轉換器(quantum transducer)。
此實驗由美國加州大學聖塔芭芭拉分校(UCSB)的Andrew Cleland研究團隊所完成。Cleland表示，科學家們目前已經能在量子尺度下控制晶片上奈米結構的機械運動。這開啟了「複合量子系統」(hybrid quantum system)的研究大門，並且可能衍生出新的量子科技。由於目前最先進的量子資訊處理是以超導量子位元為基礎，而量子資訊的傳輸必須仰賴光學通道，因此量子電子系統與光學通訊通道的連結極為重要。此新元件最後可望在此量子通訊網路中扮演關鍵的角色。
加大團隊將所有的零件整合在一根以壓電材料氮化鋁製成、寬330 nm的細懸臂樑結構上，其中包括了壓電機電(piezo-electromechanical)與光電電路等。氮化鋁透過壓電效應將傳入的微波電訊號轉變成懸臂樑的機械振動(GHz)。該懸臂樑被製作成同時具有光子晶體與聲子(phonon, 即為晶格振動)晶體的性質，能有效地把機械振動轉換成探測光的調製側帶(modulation sideband)。該裝置可視為一壓電光子晶體(pezoelectric photonic crystal)，晶體內的聲子模能增強電訊號與光子間的交互作用，換言之，此元件實際上是一個量子領域的光電調變器。
Cleland說明，此研究證實了製作奈米機械轉換器的可行性，而此方法的主要優點在於其元件的排設計、製作步驟以及操作頻率(4-6 GHz)皆與超導量子電路相容。該元件同時適合操作於光通訊極重視的1550 nm波長，也因此相容於標準光纖科技。事實上，加大團隊在實驗中使用一般的電信設備，元件直接與光纖相連結。
研究人員是利用微影製程在一般矽晶圓上製作此轉能器，因此很容易擴大至量產規模。該團隊目前正著手改良元件設計，以及優化電性、機械與光學模式間的耦合。他們同時計畫整合此轉能器至超導量子電路中。詳見Nature Physics ｜ doi:10.1038/nphys2748。 |