量子技術是未來的科技解決方案，但其微小尺寸也導致更高的干擾敏感性。不過，相關研究團隊找到了一種解決方法：仿生蜘蛛網！他們設計了一種蜘蛛網形狀的納米機械諧振器，實現超低耗散，讓制造量子設備變得像在自家餐桌上測量一樣簡便。

而基于上述研究基礎，虹科推出了多功能FPGA板卡STEMlab，助力量子設備制造。更多有關內容，讓我們在本期一起探索吧！

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量子發展的挑戰

量子技術一直在追求更快、更小、更精確的高科技解決方案。然而，系統中極小尺寸的組成使其更容易受到來自外部機械和其他干擾的影響。因此，業界通常會使用冷卻至接近絕對零度（-273.15°C）的低溫制冷來阻止熱噪聲進入系統。不過這也同時帶來了新問題——該方法使用的設備常常笨重且耗電。

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蜘蛛網的機械

奇跡：量子技術的新突破

但如果有一種方法可以通過機械隔離系統來避免熱運動的干擾呢？這將減少或消除對低溫設施的需求，使量子設備的制造變得更簡單、更實惠。大多數先前的模型都是基于1D諧振模型，主要是因為它們相對簡單的設計規則。機械隔離程度由Qm表示，即諧振器內存儲的能量與一個振蕩周期內耗散的能量之比。從量子技術的角度來看，這是納米機械諧振器在一個聲子（振動的量子）熱噪聲進入并產生諧振器量子特性失真之前能夠進行的平均相干振蕩次數。

為了優化Qm比值，荷蘭代爾夫特理工大學的研究團隊在大自然的機械奇跡之一——蜘蛛網中尋找到了靈感。專家們一致認為，除了其出色的結構特性外，蜘蛛網還是卓越的振動傳感器。蜘蛛網可以讓蜘蛛察覺到網內的運動，但不能察覺到網外的運動，這使其成為一個出色的機械隔離環境。

在此基礎上，研究團隊使用貝葉斯優化運行了不同的仿真配置。考慮到由高應力氮化硅制成的梁或線，其厚度可以薄到20納米（與蜘蛛網絲的毫米級厚度相比）。結果是在134.9千赫茲下獲得了超過17.5億的最優品質因子Qm，這是一個看似簡單的結構，如下圖所示。

圖1

令人驚訝的是，這個品質因子的實現并不需要比微米還小的系帶寬度，由此讓制造變得更快、更便宜。納米機械諧振器采用58納米厚的高應力（1.07 GPa）Si3N4制造，通過低壓化學氣相沉積（LPCVD）在硅襯底上進行。

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實驗成果：制造低耗散

高QM設備的關鍵

為了驗證性能并與仿真結果進行比較，研究團隊還設計了一個測試裝置，通過環形衰減測量來實驗性地確定系統的品質因子，其中諧振器的振幅衰減速率是能量耗散和機械品質因子的指標。所有這些都是在真空條件下進行的，以避免氣體阻尼。下圖顯示了制造過程和機械特性測試裝置的示意圖。

圖2

所有測量都是使用定制的平衡同相干檢測干涉儀進行的。機械位移使用與光纖耦合的紅外激光（1550納米）進行探測。將壓電板連接到樣品臺上，以實現對器件的機械驅動。局部振蕩器信號的相位由光纖拉伸器控制，由PID控制器驅動。虹科多功能FPGA板卡STEMlab 125-14執行了這一功能，具有靈活的I/O配置。使用平衡光電探測器測量的信號作為反饋環路的誤差信號，穩定了干涉儀的低頻波動。

綜上所述，通過基于仿真優化的設計蜘蛛網形狀的納米機械諧振器，可以在室溫環境下實現超低耗散，從而制造出具有較小長寬比的高Qm設備，優化制造過程。