受蜘蛛网启发的量子纳米机械谐振器

量子技术是未来的科技解决方案，但其微小尺寸也导致更高的干扰敏感性。不过，相关研究团队找到了一种解决方法：仿生蜘蛛网！他们设计了一种蜘蛛网形状的纳米机械谐振器，实现超低耗散，让制造量子设备变得像在自家餐桌上测量一样简便。

而基于上述研究基础，虹科推出了多功能FPGA板卡STEMlab，助力量子设备制造。更多有关内容，让我们在本期一起探索吧！

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量子发展的挑战

量子技术一直在追求更快、更小、更精确的高科技解决方案。然而，系统中极小尺寸的组成使其更容易受到来自外部机械和其他干扰的影响。因此，业界通常会使用冷却至接近绝对零度（-273.15°C）的低温制冷来阻止热噪声进入系统。不过这也同时带来了新问题——该方法使用的设备常常笨重且耗电。

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蜘蛛网的机械

奇迹：量子技术的新突破

但如果有一种方法可以通过机械隔离系统来避免热运动的干扰呢？这将减少或消除对低温设施的需求，使量子设备的制造变得更简单、更实惠。大多数先前的模型都是基于1D谐振模型，主要是因为它们相对简单的设计规则。机械隔离程度由Qm表示，即谐振器内存储的能量与一个振荡周期内耗散的能量之比。从量子技术的角度来看，这是纳米机械谐振器在一个声子（振动的量子）热噪声进入并产生谐振器量子特性失真之前能够进行的平均相干振荡次数。

为了优化Qm比值，荷兰代尔夫特理工大学的研究团队在大自然的机械奇迹之一——蜘蛛网中寻找到了灵感。专家们一致认为，除了其出色的结构特性外，蜘蛛网还是卓越的振动传感器。蜘蛛网可以让蜘蛛察觉到网内的运动，但不能察觉到网外的运动，这使其成为一个出色的机械隔离环境。

在此基础上，研究团队使用贝叶斯优化运行了不同的仿真配置。考虑到由高应力氮化硅制成的梁或线，其厚度可以薄到20纳米（与蜘蛛网丝的毫米级厚度相比）。结果是在134.9千赫兹下获得了超过17.5亿的最优品质因子Qm，这是一个看似简单的结构，如下图所示。

图1

令人惊讶的是，这个品质因子的实现并不需要比微米还小的系带宽度，由此让制造变得更快、更便宜。纳米机械谐振器采用58纳米厚的高应力（1.07 GPa）Si3N4制造，通过低压化学气相沉积（LPCVD）在硅衬底上进行。

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实验成果：制造低耗散

高QM设备的关键

为了验证性能并与仿真结果进行比较，研究团队还设计了一个测试装置，通过环形衰减测量来实验性地确定系统的品质因子，其中谐振器的振幅衰减速率是能量耗散和机械品质因子的指标。所有这些都是在真空条件下进行的，以避免气体阻尼。下图显示了制造过程和机械特性测试装置的示意图。

图2

所有测量都是使用定制的平衡同相干检测干涉仪进行的。机械位移使用与光纤耦合的红外激光（1550纳米）进行探测。将压电板连接到样品台上，以实现对器件的机械驱动。局部振荡器信号的相位由光纤拉伸器控制，由PID控制器驱动。虹科多功能FPGA板卡STEMlab 125-14执行了这一功能，具有灵活的I/O配置。使用平衡光电探测器测量的信号作为反馈环路的误差信号，稳定了干涉仪的低频波动。

综上所述，通过基于仿真优化的设计蜘蛛网形状的纳米机械谐振器，可以在室温环境下实现超低耗散，从而制造出具有较小长宽比的高Qm设备，优化制造过程。