Quantum opto- and electromechanical systems interface mechanical motion with the electromagnetic modes of optical resonators and microwave circuits. The capabilities and promise of these hybrid devices have been showcased through a variety of recent experimental advances that demonstrated exquisite control over the quantum state of solid-state mechanical objects. In this perspective, we offer an overview of the current state, as well as an outlook of the future directions, challenges, and opportunities for this growing field of research. We focus, in particular, on the prospects for ground state cooling of mechanical modes and their use in quantum circuits, transducers, and networks.

1.
J.
Bardeen
,
L. N.
Cooper
, and
J. R.
Schrieffer
,
Phys. Rev.
108
,
1175
(
1957
).
2.
Y. R.
Shen
and
N.
Bloembergen
,
Phys. Rev.
137
,
A1787
(
1965
).
3.
K.
Mølmer
and
A.
Sørensen
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
1835
(
1999
).
4.
K. W.
Murch
,
K. L.
Moore
,
S.
Gupta
, and
D. M.
Stamper-Kurn
,
Nat. Phys.
4
,
561
(
2008
).
5.
G.
Kurizki
,
P.
Bertet
,
Y.
Kubo
,
K.
Mølmer
,
D.
Petrosyan
,
P.
Rabl
, and
J.
Schmiedmayer
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
112
,
3866
(
2015
).
6.
D.
Lee
,
K. W.
Lee
,
J. V.
Cady
,
P.
Ovartchaiyapong
, and
A. C. B.
Jayich
,
J. Opt.
19
,
033001
(
2017
).
7.
A. A.
Clerk
,
K. W.
Lehnert
,
P.
Bertet
,
J. R.
Petta
, and
Y.
Nakamura
,
Nat. Phys.
16
,
257
(
2020
).
8.
A. D.
O'Connell
,
M.
Hofheinz
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Lenander
,
E.
Lucero
,
M.
Neeley
,
D.
Sank
,
H.
Wang
,
M.
Weides
,
J.
Wenner
,
J. M.
Martinis
, and
A. N.
Cleland
,
Nature
464
,
697
(
2010
).
9.
Y.
Chu
,
P.
Kharel
,
T.
Yoon
,
L.
Frunzio
,
P. T.
Rakich
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
563
,
666
(
2018
).
10.
K. J.
Satzinger
,
Y. P.
Zhong
,
H.-S.
Chang
,
G. A.
Peairs
,
A.
Bienfait
,
M.-H.
Chou
,
A. Y.
Cleland
,
C. R.
Conner
,
E.
Dumur
,
J.
Grebel
,
I.
Gutierrez
,
B. H.
November
,
R. G.
Povey
,
S. J.
Whiteley
,
D. D.
Awschalom
,
D. I.
Schuster
, and
A. N.
Cleland
,
Nature
563
,
661
(
2018
).
11.
P.
Arrangoiz-Arriola
,
E. A.
Wollack
,
Z.
Wang
,
M.
Pechal
,
W.
Jiang
,
T. P.
McKenna
,
J. D.
Witmer
,
R. V.
Laer
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Nature
571
,
537
(
2019
).
12.
R.
Riedinger
,
S.
Hong
,
R. A.
Norte
,
J. A.
Slater
,
J.
Shang
,
A. G.
Krause
,
V.
Anant
,
M.
Aspelmeyer
, and
S.
Gröblacher
,
Nature
530
,
313
(
2016
).
13.
R.
Riedinger
,
A.
Wallucks
,
I.
Marinković
,
C.
Löschnauer
,
M.
Aspelmeyer
,
S.
Hong
, and
S.
Gröblacher
,
Nature
556
,
473
(
2018
).
14.
I.
Marinković
,
A.
Wallucks
,
R.
Riedinger
,
S.
Hong
,
M.
Aspelmeyer
, and
S.
Gröblacher
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
220404
(
2018
).
15.
S. M.
Meenehan
,
J. D.
Cohen
,
G. S.
MacCabe
,
F.
Marsili
,
M. D.
Shaw
, and
O.
Painter
,
Phys. Rev. X
5
,
041002
(
2015
).
16.
S.
Hong
,
R.
Riedinger
,
I.
Marinković
,
A.
Wallucks
,
S. G.
Hofer
,
R. A.
Norte
,
M.
Aspelmeyer
, and
S.
Gröblacher
,
Science
358
,
203
(
2017
).
17.
B. D.
Hauer
,
P. H.
Kim
,
C.
Doolin
,
F.
Souris
, and
J. P.
Davis
,
Phys. Rev. B
98
,
214303
(
2018
).
18.
A. H.
Safavi-Naeini
,
J. T.
Hill
,
S.
Meenehan
,
J.
Chan
,
S.
Gröblacher
, and
O.
Painter
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
153603
(
2014
).
19.
H.
Ren
,
M. H.
Matheny
,
G. S.
MacCabe
,
J.
Luo
,
H.
Pfeifer
,
M.
Mirhosseini
, and
O.
Painter
, arXiv:1910.02873 (
2019
).
20.
M.
Aspelmeyer
,
T. J.
Kippenberg
, and
F.
Marquardt
,
Rev. Mod. Phys.
86
,
1391
(
2014
).
21.
J. D.
Teufel
,
T.
Donner
,
D.
Li
,
J. W.
Harlow
,
M. S.
Allman
,
K.
Cicak
,
A. J.
Sirois
,
J. D.
Whittaker
,
K. W.
Lehnert
, and
R. W.
Simmonds
,
Nature
475
,
359
(
2011
).
22.
J.
Chan
,
T. P. M.
Alegre
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
J. T.
Hill
,
A.
Krause
,
S.
Gröblacher
,
M.
Aspelmeyer
, and
O.
Painter
,
Nature
478
,
89
(
2011
).
23.
M.
Rossi
,
D.
Mason
,
J.
Chen
,
Y.
Tsaturyan
, and
A.
Schliesser
,
Nature
563
,
53
(
2018
).
24.
U.
Delić
,
M.
Reisenbauer
,
K.
Dare
,
D.
Grass
,
V.
Vuletić
,
N.
Kiesel
, and
M.
Aspelmeyer
,
Science
367
,
892
(
2020
).
25.
E. E.
Wollman
,
C. U.
Lei
,
A. J.
Weinstein
,
J.
Suh
,
A.
Kronwald
,
F.
Marquardt
,
A. A.
Clerk
, and
K. C.
Schwab
,
Science
349
,
952
(
2015
).
26.
J.-M.
Pirkkalainen
,
E.
Damskägg
,
M.
Brandt
,
F.
Massel
, and
M. A.
Sillanpää
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
243601
(
2015
).
27.
F.
Lecocq
,
J. B.
Clark
,
R. W.
Simmonds
,
J.
Aumentado
, and
J. D.
Teufel
,
Phys. Rev. X
5
,
041037
(
2015
).
28.
A. P.
Reed
,
K. H.
Mayer
,
J. D.
Teufel
,
L. D.
Burkhart
,
W.
Pfaff
,
M.
Reagor
,
L.
Sletten
,
X.
Ma
,
R. J.
Schoelkopf
,
E.
Knill
, and
K. W.
Lehnert
,
Nat. Phys.
13
,
1163
(
2017
).
29.
C. F.
Ockeloen-Korppi
,
E.
Damskägg
,
J.-M.
Pirkkalainen
,
M.
Asjad
,
A. A.
Clerk
,
F.
Massel
,
M. J.
Woolley
, and
M. A.
Sillanpää
,
Nature
556
,
478
(
2018
).
30.
S.
Barzanjeh
,
E. S.
Redchenko
,
M.
Peruzzo
,
M.
Wulf
,
D. P.
Lewis
,
G.
Arnold
, and
J. M.
Fink
,
Nature
570
,
480
(
2019
).
31.
J. B.
Clark
,
F.
Lecocq
,
R. W.
Simmonds
,
J.
Aumentado
, and
J. D.
Teufel
,
Nature
541
,
191
(
2017
).
32.
H.
Ramp
,
B.
Hauer
,
K.
Balram
,
T.
Clark
,
K.
Srinivasan
, and
J.
Davis
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
093603
(
2019
).
33.
M.
Forsch
,
R.
Stockill
,
A.
Wallucks
,
I.
Marinković
,
C.
Gärtner
,
R. A.
Norte
,
F.
van Otten
,
A.
Fiore
,
K.
Srinivasan
, and
S.
Gröblacher
,
Nat. Phys.
16
,
69
(
2020
).
34.
R.
Stockill
,
M.
Forsch
,
G.
Beaudoin
,
K.
Pantzas
,
I.
Sagnes
,
R.
Braive
, and
S.
Gröblacher
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
163602
(
2019
).
35.
S. M.
Meenehan
,
J. D.
Cohen
,
S.
Gröblacher
,
J. T.
Hill
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
M.
Aspelmeyer
, and
O.
Painter
,
Phys. Rev. A
90
,
011803
(
2014
).
36.
M.
Mirhosseini
,
A.
Sipahigil
,
M.
Kalaee
, and
O.
Painter
, arXiv:2004.04838 (
2020
).
37.
A.
Wallucks
,
I.
Marinković
,
B.
Hensen
,
R.
Stockill
, and
S.
Gröblacher
,
Nat. Phys.
16
,
772
(
2020
).
38.
L.
Qiu
,
I.
Shomroni
,
P.
Seidler
, and
T. J.
Kippenberg
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
173601
(
2020
).
39.
Y.
Chu
,
P.
Kharel
,
W. H.
Renninger
,
L. D.
Burkhart
,
L.
Frunzio
,
P. T.
Rakich
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Science
358
,
199
(
2017
).
40.
A.
Noguchi
,
R.
Yamazaki
,
M.
Ataka
,
H.
Fujita
,
Y.
Tabuchi
,
T.
Ishikawa
,
K.
Usami
, and
Y.
Nakamura
,
New J. Phys.
18
,
103036
(
2016
).
41.
R. W.
Peterson
,
T. P.
Purdy
,
N. S.
Kampel
,
R. W.
Andrews
,
P.-L.
Yu
,
K. W.
Lehnert
, and
C. A.
Regal
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
063601
(
2016
).
42.
R.
Delaney
,
A.
Reed
,
R.
Andrews
, and
K.
Lehnert
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
183603
(
2019
).
43.
I.
Galinskiy
,
Y.
Tsaturyan
,
M.
Parniak
, and
E. S.
Polzik
,
Optica
7
,
718
(
2020
).
44.
A. G.
Krause
,
J. T.
Hill
,
M.
Ludwig
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
J.
Chan
,
F.
Marquardt
, and
O.
Painter
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
233601
(
2015
).
45.
B. D.
Hauer
,
T. J.
Clark
,
P. H.
Kim
,
C.
Doolin
, and
J. P.
Davis
,
Phys. Rev. A
99
,
053803
(
2019
).
46.
J. J.
Viennot
,
X.
Ma
, and
K. W.
Lehnert
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
183601
(
2018
).
47.
L. R.
Sletten
,
B. A.
Moores
,
J. J.
Viennot
, and
K. W.
Lehnert
,
Phys. Rev. X
9
,
021056
(
2019
).
48.
M.
Scigliuzzo
,
L. E.
Bruhat
,
A.
Bengtsson
,
J. J.
Burnett
,
A. F.
Roudsari
, and
P.
Delsing
,
New J. Phys.
22
,
53027
(
2020
).
49.
H.
Paik
,
D. I.
Schuster
,
L. S.
Bishop
,
G.
Kirchmair
,
G.
Catelani
,
A. P.
Sears
,
B. R.
Johnson
,
M. J.
Reagor
,
L.
Frunzio
,
L. I.
Glazman
,
S. M.
Girvin
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
240501
(
2011
).
50.
W. H.
Renninger
,
P.
Kharel
,
R. O.
Behunin
, and
P. T.
Rakich
,
Nat. Phys.
14
,
601
(
2018
).
51.
B.
Terhal
,
J.
Conrad
, and
C.
Vuillot
,
Quantum Sci. Technol.
5
,
043001
(
2020
).
52.
M.
Reagor
,
W.
Pfaff
,
C.
Axline
,
R. W.
Heeres
,
N.
Ofek
,
K.
Sliwa
,
E.
Holland
,
C.
Wang
,
J.
Blumoff
,
K.
Chou
,
M. J.
Hatridge
,
L.
Frunzio
,
M. H.
Devoret
,
L.
Jiang
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. B
94
,
014506
(
2016
).
53.
Y.
Tsaturyan
,
A.
Barg
,
E. S.
Polzik
, and
A.
Schliesser
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
776
(
2017
).
54.
G. S.
MacCabe
,
H.
Ren
,
J.
Luo
,
J. D.
Cohen
,
H.
Zhou
,
A.
Sipahigil
,
M.
Mirhosseini
, and
O.
Painter
, arXiv:1901.04129 (
2019
).
55.
M.
Pechal
,
P.
Arrangoiz-Arriola
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Quantum Sci. Technol.
4
,
015006
(
2018
).
56.
C. T.
Hann
,
C.-L.
Zou
,
Y.
Zhang
,
Y.
Chu
,
R. J.
Schoelkopf
,
S. M.
Girvin
, and
L.
Jiang
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
250501
(
2019
).
57.
N. J.
Lambert
,
A.
Rueda
,
F.
Sedlmeir
, and
H. G. L.
Schwefel
,
Adv. Quantum Technol.
3
,
1900077
(
2020
).
58.
N.
Lauk
,
N.
Sinclair
,
S.
Barzanjeh
,
J. P.
Covey
,
M.
Saffman
,
M.
Spiropulu
, and
C.
Simon
,
Quantum Sci. Technol.
5
,
020501
(
2020
).
59.
L.
Midolo
,
A.
Schliesser
, and
A.
Fiore
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
11
(
2018
).
60.
E.
Zeuthen
,
A.
Schliesser
,
A. S.
Sørensen
, and
J. M.
Taylor
,
Quantum Sci. Technol.
5
,
034009
(
2020
).
61.
J. T.
Hill
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
J.
Chan
, and
O.
Painter
,
Nat. Commun.
3
,
1196
(
2012
).
62.
M.
Wu
,
E.
Zeuthen
,
K. C.
Balram
, and
K.
Srinivasan
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
014027
(
2020
).
63.
A. P.
Higginbotham
,
P. S.
Burns
,
M. D.
Urmey
,
R. W.
Peterson
,
N. S.
Kampel
,
B. M.
Brubaker
,
G.
Smith
,
K. W.
Lehnert
, and
C. A.
Regal
,
Nat. Phys.
14
,
1038
(
2018
).
64.
A.
Vainsencher
,
K. J.
Satzinger
,
G. A.
Peairs
, and
A. N.
Cleland
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
033107
(
2016
).
65.
K. C.
Balram
,
M. I.
Davanço
,
J. D.
Song
, and
K.
Srinivasan
,
Nat. Photonics
10
,
346
(
2016
).
66.
K.
Schneider
,
Y.
Baumgartner
,
S.
Hönl
,
P.
Welter
,
H.
Hahn
,
D. J.
Wilson
,
L.
Czornomaz
, and
P.
Seidler
,
Optica
6
,
577
(
2019
).
67.
W.
Jiang
,
C. J.
Sarabalis
,
Y. D.
Dahmani
,
R. N.
Patel
,
F. M.
Mayor
,
T. P.
McKenna
,
R.
Van Laer
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Nat. Commun.
11
,
1166
(
2020
).
68.
X.
Han
,
W.
Fu
,
C.
Zhong
,
C.-L.
Zou
,
Y.
Xu
,
A. A.
Sayem
,
M.
Xu
,
S.
Wang
,
R.
Cheng
,
L.
Jiang
, and
H. X.
Tang
,
Nat. Commun.
11
,
3237
(
2020
).
69.
W.
Jiang
,
R. N.
Patel
,
F. M.
Mayor
,
T. P.
McKenna
,
P.
Arrangoiz-Arriola
,
C. J.
Sarabalis
,
J. D.
Witmer
,
R. V.
Laer
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Optica
6
,
845
(
2019
).
70.
L.
Shao
,
M.
Yu
,
S.
Maity
,
N.
Sinclair
,
L.
Zheng
,
C.
Chia
,
A.
Shams-Ansari
,
C.
Wang
,
M.
Zhang
,
K.
Lai
, and
M.
Lončar
,
Optica
6
,
1498
(
2019
).
71.
G.
Arnold
,
M.
Wulf
,
S.
Barzanjeh
,
E. S.
Redchenko
,
A.
Rueda
,
W. J.
Hease
,
F.
Hassani
, and
J. M.
Fink
, arXiv:2002.11628 (
2020
).
72.
H.
Ramp
,
T. J.
Clark
,
B. D.
Hauer
,
C.
Doolin
,
K. C.
Balram
,
K.
Srinivasan
, and
J. P.
Davis
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
174005
(
2020
).
73.
P.
Kharel
,
Y.
Chu
,
E. A.
Kittlaus
,
N. T.
Otterstrom
,
S.
Gertler
, and
P. T.
Rakich
, arXiv:1812.06202 (
2018
).
74.
T.
Bagci
,
A.
Simonsen
,
S.
Schmid
,
L. G.
Villanueva
,
E.
Zeuthen
,
J.
Appel
,
J.
Taylor
,
A.
Sørensen
,
K.
Usami
,
A.
Schliesser
, and
E.
Polzik
,
Nature
507
,
81
(
2014
).
75.
C.
Wang
,
M.
Zhang
,
X.
Chen
,
M.
Bertrand
,
A.
Shams-Ansari
,
S.
Chandrasekhar
,
P.
Winzer
, and
M.
Lončar
,
Nature
562
,
101
(
2018
).
76.
L.
Fan
,
C.-L.
Zou
,
R.
Cheng
,
X.
Guo
,
X.
Han
,
Z.
Gong
,
S.
Wang
, and
H. X.
Tang
,
Sci. Adv.
4
,
eaar4994
(
2018
).
77.
H. J.
Kimble
,
Nature
453
,
1023
(
2008
).
78.
T.
Palomaki
,
J.
Teufel
,
R.
Simmonds
, and
K.
Lehnert
,
Science
342
,
710
(
2013
).
79.
J.
Chen
,
M.
Rossi
,
D.
Mason
, and
A.
Schliesser
,
Nat. Commun.
11
,
943
(
2020
).
80.
S.
Mancini
,
D.
Vitali
, and
P.
Tombesi
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
137901
(
2003
).
81.
S.
Felicetti
,
S.
Fedortchenko
,
R.
Rossi
,
S.
Ducci
,
I.
Favero
,
T.
Coudreau
, and
P.
Milman
,
Phys. Rev. A
95
,
022322
(
2017
).
82.
S.
Pautrel
,
Z.
Denis
,
J.
Bon
,
A.
Borne
, and
I.
Favero
,
Phys. Rev. A
101
,
063820
(
2020
).
83.
J.
Li
,
A.
Wallucks
,
R.
Benevides
,
N.
Fiaschi
,
B.
Hensen
,
T. P. M.
Alegre
, and
S.
Gröblacher
,
Phys. Rev. A
102
,
032402
(
2020
).
84.
K.
Mølmer
,
Y. L.
Coq
, and
S.
Seidelin
,
Phys. Rev. A
94
,
053804
(
2016
).
85.
S.
Wang
,
L.
Yang
,
R.
Cheng
,
Y.
Xu
,
M.
Shen
,
R. L.
Cone
,
C. W.
Thiel
, and
H. X.
Tang
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
151103
(
2020
).
86.
C. B.
Møller
,
R. A.
Thomas
,
G.
Vasilakis
,
E.
Zeuthen
,
Y.
Tsaturyan
,
M.
Balabas
,
K.
Jensen
,
A.
Schliesser
,
K.
Hammerer
, and
E. S.
Polzik
,
Nature
547
,
191
(
2017
).
87.
T. M.
Karg
,
B.
Gouraud
,
C. T.
Ngai
,
G.-L.
Schmid
,
K.
Hammerer
, and
P.
Treutlein
,
Science
369
,
174
(
2020
).
88.
R. A.
Thomas
,
M.
Parniak
,
C.
Østfeldt
,
C. B.
Møller
,
C.
Bærentsen
,
Y.
Tsaturyan
,
A.
Schliesser
,
J.
Appel
,
E.
Zeuthen
, and
E. S.
Polzik
, arXiv:2003.11310 (
2020
).
89.
M. J. A.
Schuetz
,
E. M.
Kessler
,
G.
Giedke
,
L. M. K.
Vandersypen
,
M. D.
Lukin
, and
J. I.
Cirac
,
Phys. Rev. X
5
,
031031
(
2015
).
You do not currently have access to this content.