元素百科中国科学家在纳米机电系统研究中取得了一系列进展。记者最近从中国科技大学获悉，由中国科学院院士郭光灿领导的中国科学院量子信息重点实验室是基于碳纳米管的纳米机电系统（NEMS）取得了一系列重要进展。实验室固态量子芯片组郭国平研究组与清华大学姜开利研究组合作，成功实现了碳纳米管谐振器和碳纳米管谐振器两种模式的强耦合，实现了声音的相关控制。
碳纳米管是什么？
碳纳米管由于其良好的电学性能和优异的机械性能，近年来广泛应用于纳米机电系统的相关研究中，在质量、微力、气体、位移等物理测量方面也具有广阔的应用前景。特别是碳纳米管谐振器的机械模式与单分子磁体、单电子电荷、自旋等物理量耦合较强，可用于探索纳米尺度下的物理现象，是一种优质的量子传感器件。
在量子信息领域，纳米谐振器中的声子可以保持长时间的相关性和远程传输。它是一个很好的飞行量子比特，被认为是量子数据总线的候选人之一。郭国平研究小组围绕探索声子作为量子数据总线的目标，开展了多机械振子长程耦合研究，首次实现了碳纳米管机械振子上两个串联机械振子的强耦合，并观察到两个机械振子和量子点的强耦合。新型耦合机械振子器件为研究电子-声子相干相互作用、电子长程耦合和电子纠缠状态提供了新的平台。以声子为飞行量子比特也为量子数据总线研究提供了新的思路。
量子数据总线的研究在实现声子长期耦合和长期传输的基础上，还需要实现声子的相关控制。机械振动高级模式的研究对超灵敏传感器和声子的相关控制具有重要意义。目前，国际对多机械模式耦合的研究主要集中在数百千赫兹的低频谐振器上。为了实现更灵敏的传感器和更快的声控，需要进一步提高谐振器的谐振频率。
碳纳米管的应用
针对高频声控制的问题，郭国平研究小组发现，单碳纳米管中不同方向的振动模式可以在百兆赫兹量级工作。这两种模式可以通过添加额外的参数驱动来耦合，驱动功率可以从弱耦合到强耦合的线性调节，这与理论计算的结果完全一致。研究小组通过控制驱动微波的波形，实现了机械振动中声子的相关拉比操作，观察了10次以上的拉比冲击，是实验中声子操作次数的最大记录。此外，拉比操作频率超过500千赫兹，比之前的相关报告高出两个数量级。该研究成果发表在国际权威杂志《纳米快报》上。
这一系列工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和教育部的资助。 郭国平说：“机械振动通过一系列手段冷却到量子基态后，声子的相关控制将在量子传感和量子信息领域具有广阔的应用前景。”。
