2026年5月6日——哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员首次展示了单个振动能量量子与单个原子自旋的相互作用，为利用声音（而非光或电）作为信息载体的量子技术开辟了道路。该研究成果发表在《自然》杂志上。

由电气工程学Tiantsai Lin教授Marko Lončar领导的研究团队，在钻石中围绕单个色心自旋量子比特构建了一个纳米级机械谐振器。这些色心是钻石晶体结构中的原子缺陷，可作为能够存储量子信息的量子存储器。该团队的新系统能够支持足够强的自旋-声子相互作用，用于量子信息存储——这是该领域迄今面临的一个关键挑战。

Lončar表示：“实验的核心是一个声子——声音的最小可能单位。当我们听音乐时，需要无数个声子协同作用才能振动我们的耳膜，甚至让我们在舞池中旋转。但量子比特要敏感得多：单个声子就足以改变其量子态——激发它们，或者像我们的实验中那样，帮助它们弛豫。”

机械振动（如吉他弦的振动）可以在远小于相同频率电磁腔的体积内长时间“鸣响”。这种长寿命与小尺寸的结合，使声子特别有希望成为量子信息载体，或作为连接未来量子芯片上紧凑量子存储器、处理器和传感器的互连器件。

第一作者、前哈佛大学研究生Graham Joe解释道：“许多量子系统，包括超导量子比特、量子点或固态缺陷，已知与声子有强相互作用。因此，量子声学作为一种“通用量子总线”具有很大潜力，可以将不同类型的量子系统连接成混合系统。”

当一个声子能够改变原子量子比特的状态时，自旋也可作为其机械环境的极其灵敏的探针。自旋可通过“倾听”器件的量子噪声，用于测量极小的力、应力或温度变化，这有望带来精密传感等应用。

该研究结果指向了对固体中量子缺陷的新控制能力，使自旋-机械相互作用更接近完全量子相干性的阈值——即原本脆弱的量子系统保持稳定的能力。

Joe表示：“这项实验既是对感知单原子环境新工具的有力展示，也是向实用量子声学器件迈出的有意义一步。”

《Purcell增强的自旋-声子耦合与单个色心》论文的合著者包括Michael Haas、Kazuhiro Kuruma、Chang Jin、Dongyeon Daniel Kang、Sophie W. Ding、Cleaven Chia、Hana Warner、Benjamin Pingault、Bartholomeus Machielse和Srujuan Meesala。