理论上可以找到普通计算机无法解决的问题的答案的量子计算机依赖于称为量子位的组件。现在，科学家们已经创造了第一个机械量子比特——基本上是一个微观版本的鼓皮，它的行为有点像薛定谔的猫，同时振动和不振动。研究人员表示，这些可能会导致能够运行长时间复杂程序的机械量子计算机，以及新型量子传感器。目前，大多数量子比特依赖于电子态的叠加，例如两个不同水平的电荷。
然而，电磁量子比特在复杂、脆弱的量子态衰变之前通常具有较短的寿命或相干时间。这大大限制了它们的使用。为了寻求更长的相干时间，研究人员开始探索创建机械量子位。这些将取决于振动态的叠加，理论上，与电磁量子位相比，它们可能具有较长的相干时间。现在，苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的科学家们首次建造了“一个完全可操作的机械量子比特”，朱逸文实验室的博士生、完成这一壮举的团队成员于扬说。
杨和他的同事在11月15日的《科学》杂志上详细介绍了他们的发现。谐波和混合量子比特
阻碍机械量子位创建的主要挑战之一是它们的能量状态的怪癖。电磁量子位的行为是“非谐的”。也就是说，它的电子态之间存在不均匀的能量，正是这些态的独特性质使它们成为量子位。相比之下，以量子计算特有的极少量能量运行的机械谐振器表现出和谐的行为：其振动状态之间的能量水平是均匀分布的，因此仅凭它们制造量子比特基本上是不可能的。
早些时候，科学家们提出了一种潜在的解决方法。如果将机械谐振器耦合到非谐分量，如电磁量子位，则产生的混合体将表现为非谐。法国国家科学研究中心（CNRS）和法国波尔多大学的研究主任法比奥·皮斯托莱西说：“拥有一个表现得像量子比特的机械系统是非常令人兴奋的。”。原则上，“如果将寿命最长的机械振荡器与最佳量子比特耦合，就可以制造出相干时间比最佳量子比特长的机械量子比特。”
“在我们的系统中，机械量子比特的寿命实际上比超导量子比特长得多”——Yu Yang，苏黎世联邦理工学院
然而，由此产生的混合器件的相干时间取决于电磁量子比特的相干时间。皮斯托利斯和他的同事在2021年的一项研究中试图使用碳纳米管作为机械谐振器，量子点作为电磁量子比特来创建机械量子比特，但量子点的相干时间太短，混合器件无法作为机械量子比特运行。
在本周报道的研究中，杨和他的同事使用蓝宝石板上的压电盘作为机械谐振器，并将其连接到单独蓝宝石芯片上的超导量子比特作为非谐分量。杨解释说，使用改进超导量子比特和机械部件相干时间的新制造技术，新器件实现了机械量子比特所需的高相干。他说，重要的是，新设备的机械和超导部件在非常相似的频率下运行，这有助于其非谐行为持续更长时间。新的机械量子比特的相干时间取决于其超导组件的相干时间，但不受其限制。
“在我们的系统中，机械量子比特实际上比超导量子比特的寿命长得多，”杨说。他指出，他们的混合设备的退相干率可以被认为介于其机械振动和超导量子比特之间，但强烈倾向于机械振动的退相干速率。目前超导量子比特相干时间的记录约为1毫秒，但这不是一个典型的结果。杨说，通常，超导量子比特的相干时间约为100微秒。相比之下，原型机械量子比特的相干时间约为200微秒。
“即使机械量子位没有达到现有最先进的量子位水平，它也已经有了可观的相干时间，他们可以展示如何完全操纵它进行单量子位操作，”Pistolesi说。杨说，他和他的同事们相信，使用不同的设计和材料，他们可以显著提高设备的相干时间。研究人员现在的目标是使用机械量子位来执行量子门——传统计算机用于执行计算的逻辑门的量子计算版本。这些机械量子位也可能在量子传感器中得到应用，其精度远高于传统设备。