西安交大科研人员在量子三体相互作用研究方面取得重要突破

西安交通大学物理学院李蓬勃教授课题组在量子三体相互作用和三体纠缠研究方面取得重要进展，提出了实现自旋-磁子-声子三体相互作用的新机制。该成果以“Enhanced Tripartite Interactions in Spin-Magnon-Mechanical Hybrid Systems”为题，2月15日发表在物理顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

不同量子系统之间的相干相互作用是量子物理和量子技术领域的一个基本科学问题。Jaynes-Cummings (JC)模型描述了两能级量子系统和量子化的场之间的两体相干相互作用，它是量子体系中光-物质相互作用的典型代表，奠定了量子光学的基础。然而，在实际的量子技术应用中，通常并不仅限于两体相互作用。多体相互作用可以完成更复杂的任务，例如多体纠缠的制备就依赖于量子多体相互作用。但是，相比两体相互作用，实现不同自由度之间的三体直接相互作用仍然是一个科学难题。

李蓬勃教授课题组与合作者通过开展金刚石NV center电子自旋和磁机械装置的全量子理论研究，发现并提出了一种全新的理论模型——利用自旋和微磁体之间的相对振动，可以实现自旋、磁子和声子之间的直接相互作用。当自旋和微磁体之间存在相对运动时，自旋所感受到的磁振子的磁场会发生变化，从而导致这三个自由度之间在单量子水平上直接相干耦合。为了控制和增强这种三体相互作用，可利用参量驱动增大机械振动模式（声子）的零点涨落，从而实现指数型的自旋-磁子-声子耦合增强。有很多方式可以实现自旋和微磁体之间的相对运动。对于NV center的振动，可以利用保罗势阱或者注入NV center的金刚石悬臂梁振子来实现。对于微磁体的振动，可以利用超导磁势阱中悬浮磁微粒的方式实现。对于参量驱动，以上方案均可利用时变的电驱动调节机械振动的有效劲度系数。

(a)自旋-磁子-声子耦合模型图 (b)三种可能的实现方案

基于金刚石NV center电子自旋和磁机械装置的自旋-磁子-声子强耦合体系实现了三种基本性质截然不同的自由度的直接相互作用，并通过电驱动控制和增强该相互作用，具有潜在的应用价值和重要的科学意义。例如，可以方便地实现真三体纠缠，这为相关量子技术的应用提供了便利。该研究为实现单量子水平自旋-磁子-声子三体强耦合奠定了基础，有望在基于固态电子自旋的多自由度量子器件以及量子信息领域中获得重要应用。

西安交通大学物理学院为该论文第一完成单位和通讯单位，博士生黑鑫磊、潘雪峰分别为论文第一作者和第三作者，李蓬勃教授为论文通讯作者。参与此工作的还有日本理化学研究所的Franco Nori教授。

近年来，李蓬勃教授课题组开展了新型量子体系的物理机制等基础性研究，提出了基于内禀磁耦合、双声子参量驱动、空间相位调制等方法增强（实现）自旋-声子（手性）相互作用的新机制，解决了单固态自旋量子比特与单声子强（手性）相互作用的难题。同时，基于自旋-磁子相互作用，提出了增强（实现）单量子水平自旋-光子耦合、自旋-磁子-声子三体相互作用等新理论方案，为构建强耦合条件下的混合量子系统开辟了新的途径。课题组在物理科学领域代表性期刊Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A、Phys. Rev. Applied和Phys. Rev. Research等发表了一系列重要论文。

文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.073602

李蓬勃教授课题组链接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/lipengbo