由于量子易受其周圍環(huán)境的影響，由于外部信號的影響，量子相干性和量子態(tài)很容易被破壞，外部信號可能包括測量電路中的熱噪聲和反向散射信號。因此，研究人員一直試圖開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)非互易信號傳播的技術(shù)，這可以幫助阻止反向噪聲的不良影響。

在新的一項(xiàng)研究中，加拿大馬尼托巴大學(xué)動態(tài)自旋電子學(xué)小組的成員提出了一種在混合量子系統(tǒng)中產(chǎn)生耗散耦合的新方法。其研究成果發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上，這使非互易信號傳播具有相當(dāng)大的隔離率和靈活的可控性。

參與這項(xiàng)研究的馬尼托巴大學(xué)博士后研究員王義普(音譯)說：我們在腔磁子中的非互易性方面研究，是基于腔自旋電子學(xué)和混合量子系統(tǒng)相結(jié)合的研究領(lǐng)域，這為構(gòu)建新的量子信息處理平臺帶來了希望。在過去的幾十年中，量子技術(shù)領(lǐng)域的研究主要是探索子系統(tǒng)之間的相干耦合機(jī)制，因?yàn)楹纳Ⅰ詈蠙C(jī)制還沒有在混合量子系統(tǒng)中得到廣泛的考慮和利用。然而，去年馬尼托巴大學(xué)的同一組研究人員揭開了一種有趣的、新型耗散磁子-光子耦合的面紗。這一發(fā)現(xiàn)立即給出了很多啟發(fā)，因?yàn)楹纳Ⅰ詈峡梢杂脕泶蚱茣r(shí)間反轉(zhuǎn)對稱，因?yàn)樗逃械暮纳⑻匦浴?/p>

這促使研究人員創(chuàng)建將耗散耦合效應(yīng)和相干耦合效應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)非互易特性。在新研究中著手開發(fā)一種線性狀態(tài)下具有高隔離和低插入損耗的設(shè)備，因?yàn)檫@些特性可以幫助量子信息技術(shù)的發(fā)展。創(chuàng)造的裝置有兩個(gè)關(guān)鍵部件：一個(gè)平面十字形微波電路和一個(gè)小的釔鐵石榴石(YIG)球體。參與這項(xiàng)研究的馬尼托巴大學(xué)博士生拉金偉(Jinwei Rao)說：設(shè)備的工作原理相當(dāng)于微波二極管，它能讓某些設(shè)計(jì)工作頻率的微波只向一個(gè)方向傳播。平面交叉電路是專門設(shè)計(jì)的，以支持駐波的形成，并允許行波在其上流動。

將YIG球體放置在微波電路的頂部，研究人員能夠促進(jìn)行波、駐波和磁自旋之間的合作相互作用。這些相互作用允許相干和耗散耦合效應(yīng)隨時(shí)間持續(xù)。研究人員觀察到，這些耦合效應(yīng)之間的相對相位取決于輸入微波信號的傳播方向。值得注意的是，在開發(fā)的腔磁子系統(tǒng)中，這種微波信號產(chǎn)生了非互易性和單向不可見性。研究人員還開發(fā)了一個(gè)簡單的模型，該模型概述并捕獲了相干耦合和耗散耦合之間干擾背后的一般物理原理。發(fā)現(xiàn)，這個(gè)模型準(zhǔn)確地描述了在廣泛的參數(shù)范圍內(nèi)收集的觀測結(jié)果。

模型是由一個(gè)非厄米特哈密頓量描述，其中光子和磁振子激發(fā)之間的耦合強(qiáng)度是一個(gè)復(fù)數(shù)。這種耦合強(qiáng)度的實(shí)部表示相干耦合效應(yīng)，虛部表示耗散耦合效應(yīng)。研究人員提出的模型表明，相干耦合有點(diǎn)類似于由彈性彈簧連接兩個(gè)機(jī)械擺之間的相互作用。另一方面，耗散耦合類似于由減震器連接的兩個(gè)鐘擺之間的相互作用，這引入了摩擦力，從而導(dǎo)致能量的耗散所開發(fā)的這個(gè)非互易器件中，相干耦合和耗散耦合效應(yīng)之間的相對相位被描述為相位項(xiàng)。這個(gè)相位項(xiàng)與輸入微波信號的加載配置密切相關(guān)，干擾效應(yīng)總是與交叉術(shù)語的作用相對應(yīng)。

通常A和B之間的干涉效應(yīng)反映在A乘以B的數(shù)學(xué)項(xiàng)中，它可以來自(A±B)的平方。相干和耗散耦合的交叉項(xiàng)源于復(fù)耦合強(qiáng)度的平方項(xiàng)，出現(xiàn)在透射系數(shù)中。這項(xiàng)研究是最先介紹一種在腔磁系統(tǒng)中產(chǎn)生耗散耦合的方法之一。使用這種新方法，研究人員能夠在耦合系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非互易性，其方式也可以擴(kuò)展到其他物理系統(tǒng)或不同頻率范圍的耦合。由于相干耦合和耗散耦合之間的相互作用被認(rèn)為是耦合系統(tǒng)中相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，該方法可以啟發(fā)其他物理領(lǐng)域的進(jìn)一步研究。此外，盡管開發(fā)的設(shè)備非常簡單，但發(fā)現(xiàn)它包含并展示了新的物理效果。

在此之前，相干耦合是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，盡管一些物理學(xué)家也在選擇領(lǐng)域研究耗散耦合。然而，這些形式的耦合通常是獨(dú)立研究的，因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為控制著它們自己獨(dú)特的物理規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這兩種形式的耦合在同一系統(tǒng)中組合時(shí)，就會發(fā)生不尋常的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)首次系統(tǒng)地演示了腔磁系統(tǒng)中出現(xiàn)的特殊物理現(xiàn)象。馬尼托巴大學(xué)動態(tài)自旋電子學(xué)團(tuán)隊(duì)新開展的工作，通過概述混合量子系統(tǒng)中耗散光子-磁振子耦合的動力學(xué)，為量子技術(shù)的發(fā)展開辟了一條新道路。

模型所勾勒出的非互易物理動力學(xué)最終可以為不同功能微波器件的設(shè)計(jì)提供信息，這些器件具有許多可能的應(yīng)用，包括隔離器、環(huán)行器、傳感器和切換器。馬尼托巴大學(xué)動態(tài)自旋電子學(xué)研究組負(fù)責(zé)人胡康明博士(Dr.Can-ming Hu)說：作為第一步，研究小組現(xiàn)在專注于發(fā)明一種小型化的便攜式微波隔離器，其技術(shù)性能可能超過市面上可買到的產(chǎn)品。發(fā)展量子信息技術(shù)的國際社會對這種裝置的需求很高，很多國家正在投入巨資，繼續(xù)研究這種新腔體自旋電子學(xué)的道路，前景非常光明。

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參考期刊《物理評論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.127202

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