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在基于碳化硅薄膜机械振子的多模腔光力研究中取得重要进展。研究团队揭示了多模腔光力系统中机械模式的调控机制，实现了非对称应力的高精度解析与高保真度态交换，为薄膜材料非对称应力的高精度表征、多模声子量子信息存储器件和量子网络的构建提供了新途径。2026年2月26日，相关成果以“立方碳化硅机械模式对中的优异频率稳定性和长寿命态交换”(Superior Frequency Stability and Long-Lived State-Swapping in Cubic-SiC Mechanical Mode Pairs)为题发表于npj Quantum Information。
声子作为热、电、光之间相互作用的重要媒介，在热管理、材料科学和量子信息处理等领域具有广泛应用。基于多机械模式的光力学和电机械系统不仅在量子存储、量子转换方面具有重要应用前景，更是研究量子纠缠、多模声子激射和非互易光子(声子)传输等有趣物理现象的理想平台。
对于典型的方形薄膜谐振器，在各项同性应力下，相同模指数m和n的模式会出现简并。尽管这些简并模式共享相同的共振频率，但其模形状不同，这限制了能够与同一腔模耦合的机械模式数量。此外，简并机械模式自发形成的暗态也会阻碍基态冷却以及宏观压缩态或纠缠态的制备。研究团队发现，通过在薄膜中引入沿x轴和y轴的非对称应力可以破除机械模式的简并状态，这种应力各向异性诱导的简并破除模式具有相似的振动形状和共振频率，为构建单个光模与多个机械模对耦合的多模系统提供了新思路。
考虑到非对称应力对机械振子振动模式的影响，研究团队推导出薄膜在非对称应力下的共振频率表达式。对57个机械模式进行集体拟合的结果显示，不同方向的应力差在亚MPa量级，该结果显著优于现有商业薄膜应力分析仪器的性能。当前，X射线衍射、拉曼光谱等传统应力分析方法的分辨率通常在数十MPa量级。该研究方法为薄膜材料非均匀应力的高精度表征提供了一种新思路。
研究团队进一步将该碳化硅薄膜振子与超导微波谐振腔集成，构建了基于碳化硅薄膜振子的腔电机械系统。基于该系统的实验研究结果展示，在10mK低温环境下机械模式的品质因子高达108量级。通过艾伦偏差分析，机械谐振器的频率稳定性达到了6×10-10(积分时间3×104秒)。该结果为现有文献所报道的，面外振动模式频率稳定性的最高水平。
基于机械模式的高品质因子以及两个机械模式与共享腔模之间强耦合等优异性能，研究团队利用受激拉曼绝热通道(STIRAP)方案成功演示了近简并机械模对之间的相干态交换实验，实现了高于78%的态转移效率。图2展示了光力受激拉曼绝热通道方案和态交换过程中模式声子布居数随时间的变化图像。
该研究不仅为薄膜材料的应力分析提供了新思路，也为发展基于多模声子器件的量子网络和量子模拟研究开辟了新途径。审稿人对碳化硅薄膜振子频率稳定性以及提出的应力测试表征新方案两方面给予了高度认可。
该论文第一作者为量子院助理研究员孙换莹、博士生陈炎霖以及高级工程师刘其春，通讯作者为量子院副研究员刘玉龙和量子院兼聘/清华大学副教授李铁夫。论文合作者还包括量子院高级工程师吴海华和王宇清。该工作得到国家自然科学基金重大研究计划、北京市自然科学基金重点项目、北京市国际港澳台合作项目等的支持。
