声子是固体晶格振动的准粒子，是机械振动的一种量子激发，能像光子一样充当量子信息的载体；HBAR机械振子具有多模式、长寿命以及可在芯片上集成等优点，正成为构建下一代量子信息处理平台的关键器件。近年来，量子声学研究已实现机械振动模式的量子态制备、操控和存储，但如何在机械振子系统中进一步获得大规模、多方真纠缠，并将纠缠资源在不同量子节点之间进行分发，仍是量子声学领域重要挑战。

超导量子比特和声子耦合的混合量子芯片

此次研究中，研究团队利用HBAR所具有的天然多模特性，通过对声学模式频率分布和量子比特与声子耦合进行精确设计，使一个超导量子比特能够与多个机械模式发生强耦合相互作用。在此基础上，研究团队实现多模式声子量子态的制备和操控，并逐步扩展到两模式、四模式和六模式的真纠缠声子态。其中，真纠缠意味着该量子态的纠缠不能归结为若干相互独立的低阶纠缠，而是由整个多模式系统共同分享的量子关联。这一特性是构建多节点量子网络和分布式量子信息处理的重要资源。

研究团队将两个HBAR机械振子与超导量子比特、可调量子耦合器集成在同一混合量子芯片架构中，实现不同HBAR节点之间的量子信息交换，并完成跨两个独立HBAR机械振子的多模式真纠缠态传输。这一结果使多模式声子纠缠从单一机械振子内部的局域量子资源，进一步走向不同HBAR机械振子量子节点之间的分发，为未来构建由多个机械量子节点组成的量子网络提供实验基础。

多模式声子纠缠态的制备和表征

研究团队采用的并非传统依赖三维微波腔体的架构，而是将HBAR、超导量子比特和可调耦合器进一步集成到二维芯片上。 二维芯片架构具有模块化、可集成和便于扩展的优势，可避免传统三维腔体在规模扩展和多节点互联方面面临的空间与工程限制，为进一步构建多HBAR、多量子比特的声子量子处理器提供新硬件架构。在此基础上，研究团队进一步提出可扩展的多HBAR混合声子量子处理架构：将多个超导量子比特分别耦合至独立的HBAR谐振器，并通过可控耦合器实现量子比特之间的相互作用，从而形成可模块化扩展的多节点声子量子网络。由于单个HBAR谐振器可以支持大量声学模式，该架构有望将多模式声子纠缠资源进一步扩展到更大规模。

多模式声子纠缠态的传输和表征

随着声子模式数量增加，如何对多模式量子态进行精确表征成为另一个关键挑战。针对这一问题，研究团队发展了量子比特复用多模式声子态层析方法。该方法通过在不同声子模式之间复用有限的超导量子比特测量资源，使量子比特能够依次与多个机械模式进行量子态测量，从而突破由可用量子比特数量所带来的声子模式表征规模瓶颈。研究团队仅利用两个超导量子比特，就完成多模式声子纠缠态的量子态层析，实现目前量子声学平台中最大规模的多模式声子态实验表征，为未来更大规模声子量子系统的验证和控制提供重要技术手段。

此次研究不仅实现多模式真纠缠声子态的制备和传输，更重要的是建立一种具有扩展潜力的多HBAR混合量子架构。该架构将HBAR丰富的多模式声子自由度与超导量子比特成熟的量子操控能力相结合，并通过可调耦合器实现不同声子量子节点之间的连接，为进一步构建模块化、多节点的声子量子处理器提供新技术路径。未来，通过增加HBAR机械振子和超导量子比特的数量，并充分利用每个HBAR所提供的大量声学模式，可进一步扩展多模式纠缠资源，实现更大规模的声子量子态制备、传输与操控。该架构有望为基于声子量子网络的量子计算、量子通信和量子传感提供新硬件基础。此次成果标志着量子声学研究从少数机械模式的量子操控，进一步迈向多模式、多节点和可扩展的声子量子信息处理。研究工作展示HBAR多模式声子系统作为量子信息载体的潜力，并为将来发展新型声子量子计算平台和分布式量子网络开辟新研究方向。

在该研究工作中，谭电为该论文主要通讯作者，刘松、Eric Lutz为论文共同通讯作者，俞大鹏院士为最后通讯作者；谭电、解贵旭和张礼博为论文共同第一作者；其他作者包括Tobias Kippenberg、游建强、陈芝花、胡长康、许阳、刘炽隆、袁浩岚；深圳国际量子研究院为论文第一完成单位。