分辨纳米机械振子的能级

描述机械振子经典运动的相干态没有确定的能量，而是由等间距能量本征态的量子叠加构成。要揭示这种量子化结构，只能借助能以高于单个声子能量 $\hbar\omega_\text{m}$ 的精度测量机械能量的装置。实现这种灵敏度的一种方法是在振子与原子之间构造强而非共振的相互作用。在具有足够量子相干性的系统中，这种相互作用使得人们能够通过原子跃迁频率上可分辨的差异来区分不同的声子数态。此类色散测量已在腔量子电动力学和电路量子电动力学中得到研究，其中使用真实原子与人造原子的实验已分辨出腔的光子数态。在此，我们报道一项实验，其中一个人造原子以足够灵敏度感知受驱纳米机械振子的运动能量，从而分辨其能量的量子化。为此，我们构建了一个混合平台，将纳米机械压电谐振器与微波超导量子比特集成于同一芯片上。我们用不同幅度的共振脉冲激发声子，并探测量子比特的相应激发谱，观察到声子数依赖的频率偏移约为量子比特线宽的 $\approx 5$ 倍。我们的结果展示了一种用于量子声学的全集成平台，其结合了大耦合、可观的相干时间以及对机械模式结构的优异控制。通过适度的实验改进，我们预期我们的方法将使声子的量子非破坏测量成为实验现实，从而为使用芯片级纳米机械器件的新型量子传感器与信息处理方法开辟道路。