北京量子信息科学研究院在声子-力学模式参量接口构建领域取得研究进展

近日,北京量子信息科学研究院(以下简称“量子院”)量子接口器件与系统团队联合清华大学、芬兰Aalto大学等单位,提出并实现了辐射压力型的耗散声-机械耦合方案,让GHz的高次谐波体声波谐振器(HBAR)与亚MHz氮化硅(SiN)薄膜的弯曲声子发生耗散参量相互作用,在室温下进入边带可分辨区间,并观测到声机械诱导透明、放大与相干声学频率梳。2026年10月7日,相关成果以“高泛音声学与弯曲声子之间的耗散声-力参量接口”(Dissipative Acousto-Mechanical Parametric Interface between High-Overtone Acoustics and Flexural Phonons)为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters),并入选编辑推荐(Editors’ Suggestion)。

GHz频段的HBAR频率—品质因子(f×Q)乘积极高,可与超导量子比特实现单声子级强耦合;二维悬空氮化硅薄膜振子损耗极低,工作在亚MHz频段,可与光学频段的谐振腔光力耦合,边带冷却到基态并且具备极长的相干时间。不同频段的声学体系各有优势,在不同量子计算单元的结合与应用中各自扮演着重要角色。然而,如何在不同频段的声子之间建立高效参量耦合(两者能量相差数个数量级),是长期困扰学界的难题。

北京量子信息科学研究院在声子-力学模式参量接口构建领域取得研究进展
图1:器件结构与耗散声-机械耦合机制示意图

研究团队采用倒装芯片混合集成架构(图1):HBAR制备于250 μm厚的蓝宝石衬底上,机械振子为50 nm低损耗SiN薄膜,其悬空窗口镀有铝层并延伸至HBAR耦合端口。薄膜的面外位移由此调制HBAR的外耗散率,实现“位移调制耗散”的类光力耦合,绕开了集成电机械系统中难以获得大耗散耦合的瓶颈。

得益于两类模式的高品质因子,系统在室温真空下即进入边带可辨区间,室温表征结果:2.5–4 GHz内呈现密集的高阶纵声模式,自由谱程21.37 MHz,其中2.7454 GHz模式品质因子约 1.89×104;SiN薄膜基频弯曲模式为571.5 kHz,弛豫时间长达36.7 ms,本征阻尼率8.68 Hz。

北京量子信息科学研究院在声子-力学模式参量接口构建领域取得研究进展
图2:声机械诱导透明窗口随泵浦功率的演化

团队用红失谐泵浦配合弱探针观测到声机械诱导透明(AMIT):窗口随功率展宽,呈现不对称、峰值高于背景基线等耗散耦合特征。功率升至11 dBm 时拟合给出有效耗散耦合强度达到色散耦合的20倍,为已报道此类混合系统中的最高比值;同时在红边带的高功率驱动下反射谱出现放大,这是纯色散耦合系统中无法观测到的现象(图2)。

北京量子信息科学研究院在声子-力学模式参量接口构建领域取得研究进展
图3:双音驱动方案与相干声学频率梳

利用强驱动下产生的有效克尔非线性,以“谐振驱动+红边带泵浦”双音方案,在15 dBm下产生了齿距等于机械频率的相干声学频率梳;1.75 μs的时域周期与稳定的李萨如轨道,验证了梳齿的长程相位相干性(图3)。

该器件室温下即可运行,可作为低温超导电机械系统在精密测量与传感中的替代方案;其低温兼容性又使其有望进入量子区域,用于机械振子的宏观量子态制备、量子态存储与跨模声子转移,为可扩展的多模声子信息处理提供片上平台。