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我国学者在自旋-纳米机械振子混合量子体系研究中取得进展

2020-11-20 16:12:29 物理学 量子

  在国家自然科学基金项目(批准号:11774285)等资助下,西安交通大学物理学院李蓬勃教授研究组与日本理化学研究所弗兰克·诺雷(Franco Nori)教授、新加坡南洋理工大学高炜博教授合作,在自旋-纳米机械振子混合量子体系研究方面取得进展,提出了仅通过线性资源指数式增强自旋-声子及声子-声子相互作用的新方法。该成果以“在混合量子系统中利用线性资源增强自旋-声子和自旋-自旋相互作用(Enhancing Spin-Phonon and Spin-Spin Interactions Using Linear Resources in a Hybrid Quantum System)”为题,于2020年10月9日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊上,文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153602

  混合量子系统结合了多种完全不同的物理系统,可以实现单个组件无法提供的新功能。这些不同子系统之间相互作用(其中相干相互作用主导耗散过程)的强耦合机制,是实现更复杂任务的核心,如量子信息处理。然而,不同物理系统之间的耦合往往是极其微弱的。自混合量子系统诞生以来,强耦合一直是人们所追求的目标。近年来,将固态自旋与量子纳米机械元件相结合引起了研究人员的广泛兴趣。这种混合自旋-机械系统利用了固态自旋的相干时间长以及纳米机械振子的Q因子大等特性,有望实现从量子信息处理到量子传感器件的广泛应用。为了构建一个自旋-机械装置,固态自旋构成的量子比特(如金刚石中的氮空位NV色心)可以通过机械应变或外部梯度磁场的驱动与纳米机械振子耦合。然而,到目前为止还没有一个系统能够达到强耦合区域,因此迫切需要一种新的方法来改善自旋-声子和自旋-自旋相互作用,使它们能够达到强耦合。

  该团队通过开展金刚石NV色心电子自旋和纳米机械体系耦合的全量子理论研究,提出了一种全新的理论方案¾通过对机械振子的径度系数进行时变泵浦调制,可以获得可调谐的非线性(双声子)驱动到机械模态,从而放大机械模的零点涨落,直接增强自旋-声子耦合。研究结果表明,利用该方法,自旋-声子耦合强度以及虚激发声子诱导的自旋间有效偶极-偶极相互作用可以被指数式增强,把自旋-纳米机械振子混合系统从弱耦合区域驱动增强到强耦合区域甚至超强耦合区域。在自旋与机械振子色散耦合条件下,此方法可以把虚声子诱导的自旋间有效偶极-偶极相互作用强度提高两个数量级。当把这种方法用到制备多个自旋的多粒子纠缠态时,研究发现,即使考虑外在耗散的不利因素,所得到的纠缠态仍然具有很高的保真度。传统的光学参量驱动方案需要利用非线性介质,但是对于自旋-纳米机械振子耦合体系,由于声子-声子的非线性耦合很弱,很难找到性能良好的声学非线性介质。该工作只需线性资源实现非线性过程,简化了实验的实现流程。

  该研究为实现强耦合条件下的自旋-纳米机械振子混合量子系统奠定了基础,有望在基于固态电子自旋的量子器件以及量子探测等领域中获得重要应用。

(a)单个金刚石氮空位色心通过梯度磁场,与径度系数被周期调制的悬臂梁纳米机械振子相互耦合  (b)金刚石氮空位色心的能级结构  (c)此能级结构在缀饰自旋态下的示意图

图1  NV center电子自旋和纳米机械振子混合量子体系示意图

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