基于石墨烯机械振子和超导微波腔强耦合的实验研究

Nanomechanical resonator is considered as one of the most important quantum sensors, which can be coupled with many physical systems and can be used as a quantum conversion interface between different quantum systems. Recently, one of the most difficult problems in this research field is how to realize the strong coupling between the mechanical motion and the microwave field. This program is designed to study the coupling structure using graphene mechanical resonators and superconducting cavities, based on our major research basis. We will design and improve the coupling methods to enhance the coupling strength, and will systematically study their strong coupling at very low temperatures. We will try to cool the mechanical motions down to few phonon regime (quantum states), using a sideband cooling method. Moreover, we will explore the quantum measurements on the charge and spin states in quantum dots using quantum-mechanical motions. This research will help to explore the new nanomechanical resonator based quantum sensing devices, and will pave a new way for developing key devices in quantum information field.

纳米机械振子被认为是重要的量子传感器件之一，它可以和各种物理系统进行耦合，因此也可以用作不同量子体系之间的量子信息转换接口。当前纳米机械振子研究领域一个重要的难题是怎样实现和微波光场的强耦合。本项目计划在已有的重大研究基础上，以石墨烯机械振子和超导微波腔的耦合结构为研究对象，设计和改进耦合方式、增大耦合强度，系统研究极低温条件下石墨烯机械振子和超导微波腔的强耦合，探索利用超导腔的边带冷却功能将机械振动模式冷却到少声子区间（量子基态），研究量子化的机械模式对量子点中电荷态、自旋态等的超灵敏量子测量。该项目的实施将有助于探索新型的、基于纳米机械振子的量子传感器件，同时也为量子信息领域的发展探索新的关键核心器件。

本项目针对纳米机械振子与超导微波腔强耦合的重要难题开展研究，主要研究内容包括高品质石墨烯机械振子、高品质超导微波腔及其耦合结构的设计与制备，研究强耦合体系以及声子模式的相干操控机理和方法，研究机械模式与量子点中电子状态的耦合。通过本项目的实施，项目组实现了石墨烯机械振子与超导微波腔的强耦合，实现了石墨烯机械振子的非近邻、可调耦合以及机械模式的相干操控，实现了机械模式与量子点的耦合并通过机械模式非线性效应对电子状态进行调节。项目深入地开展机械、微波场、电子等自由度之间的相互作用的探索性研究，取得的相关成果将有助于加深人们对强耦合物理体系的理解，并可能进一步地为量子计算、量子精密测量等研究领域提供量子化声子研究平台、量子腔光力学研究平台。