Forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har för första gången visat hur en enskild kvant av vibrationsenergi interagerar med ett enskilt atomspinn, vilket banar väg för kvantteknik som använder ljud som informationsbärare istället för ljus eller elektricitet. Resultaten har publicerats i Nature.
Under ledning av Marko Lončar, Tiantsai Lin-professor i elektroteknik, konstruerade forskarna en mekanisk resonator i nanometerstorlek kring en enskild färgcenterspin-kubit i diamant. Dessa färgcentra, atomdefekter i diamantens kristallstruktur, fungerar som kvantminne med förmåga att lagra kvantinformation. Forskarnas nya system kan hantera tillräckligt starka spin-fonon-växelverkan för lagring av kvantinformation – en viktig utmaning inom området hittills.
”I centrum för experimentet står en fonon – den minsta möjliga ljudenheten”, säger Lončar. ”När vi lyssnar på musik krävs det otaliga fononer som samverkar för att röra våra trumhinnor och kanske till och med få oss att snurra på dansgolvet. Men kvantbitar är mycket känsligare: en enda fonon kan räcka för att ändra deras kvanttillstånd – för att excitera dem eller, som i vårt experiment, för att hjälpa dem att slappna av.”
Mekaniska vibrationer, som de från en gitarrsträng, kan ”ringa” länge samtidigt som de upptar ett volym som är mycket mindre än en jämförbar elektromagnetisk kavitet med samma frekvens. Den kombinationen av lång livslängd och kompakt storlek gör fononer särskilt lovande som kvantinformationsbärare, eller förbindelser som kopplar samman kompakta kvantminnen, processorer och sensorer på framtida kvantchips.
”Många kvantsystem, inklusive superledande kvantbitar, kvantprickar eller defekter i fasta material, är kända för att interagera starkt med fononer”, förklarade Graham Joe, försteförfattare och tidigare doktorand vid Harvard. ”Så kvantakustik är mycket lovande som en sorts ’universell kvantbuss’ som skulle kunna koppla samman olika typer av kvantsystem till hybridsystem.”
När en fonon kan ändra den atomära kvantbitens tillstånd fungerar spinnet också som en extremt känslig sond för dess mekaniska omgivning. Spinnet skulle kunna användas för att mäta mycket små krafter, spänningar eller temperaturförändringar genom att ”lyssna” på enhetens kvantbrus. Detta skulle kunna leda till precisionsavkänning och andra tillämpningar.
Resultaten pekar på en ny kontroll över kvantdefekter i fasta ämnen, vilket för spinn-mekaniska interaktioner närmare tröskeln för full kvantkoherens, eller förmågan hos ett annars ömtåligt kvantsystem att förbli stabilt.
”Detta experiment var både en övertygande demonstration av nya verktyg för att avkänna miljön kring en enskild atom och ett betydelsefullt steg mot praktiska kvantakustiska enheter”, sade Joe.
Publiceringsuppgifter
Graham Joe et al, Purcell-enhanced spin–phonon coupling with a single colour centre, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10495-7
