腔磁子-声子强耦合实现三重量子态强相互作用

研究人员针对混合量子系统中不同物理系统间耦合弱的难题，通过腔磁子-声子强耦合体系，实现了极化激元（MPs）与声子的三重强耦合，观测到极化机械正常模式分裂（NMS），并利用相干完美吸收（CPA）将极化激元衰减率降至0.78 kHz，获得高达9.4×103的极化机械协同性（C+,b），为光子、磁子和声子的相干量子调控奠定基础。

　　

在量子技术蓬勃发展的今天，构建多功能混合量子系统（HQS）是实现量子信息处理、量子网络和量子计算的关键。然而，不同物理系统间的耦合通常极其微弱，这成为制约量子态高保真传输的核心瓶颈。其中，磁子（magnon）作为磁性材料中的集体自旋激发，因其能与光子、超导量子比特等多种系统相互作用而备受关注，但如何实现磁子与其他量子系统的强耦合仍是巨大挑战。

针对这一难题，浙江大学的沈瑞昌、李杰等研究人员在《Nature Communications》发表重要成果，通过将钇铁石榴石（YIG）球体与三维微波腔耦合，首次实现了极化机械系统中光子、磁子和声子的三重强耦合。研究利用相干完美吸收（CPA）技术将极化激元衰减率降至亚kHz级别，观测到显著的极化机械正常模式分裂（2|G₊|=2π×1.40 mHz），并创下9.4×10³的极化机械协同性纪录。这一突破为宏观量子态制备和量子纠缠创造了新平台。

关键技术方法
研究采用3D氧自由铜腔（TE₁₀₂模式）与直径0.25 mm的YIG球体耦合，通过调节偏置磁场B₀控制磁子频率ω_m=γB₀（γ/2π=28 GHz/T）。利用可调衰减器（VA）和移相器（VPS）实现CPA条件，通过磁致伸缩效应增强磁子-声子耦合（g_mb），并借助自克尔效应（K_m/2π=-7.4 nHz）动态调控系统参数。

主要研究结果

极化机械系统构建
实验系统包含微波腔（ω_a/2π=7.213 GHz）、磁子（κ_m/2π=0.49 MHz）和机械振动模式（κ_b/2π=155 Hz），通过磁偶极相互作用实现腔-磁子强耦合（g_ma/2π=6.63 MHz）。

CPA实现极化激元衰减率抑制
通过调节SMA适配器引脚长度δl₁₍₂₎控制外部衰减率（κ₁/2π=1.22 MHz，κ₂/2π=1.24 MHz），在Δφ=0和q≈1条件下，将上支极化激元衰减率降至κ₊/2π=0.78 kHz，对应维格纳时间延迟达0.2 ms。

极化机械正常模式分裂
当有效耦合强度|G₊|/2π达25.71 kHz（驱动功率16.53 dBm）时，观测到明显的反交叉现象，其分裂宽度远超衰减率（κ₊/2π=0.45 kHz），证实系统进入强耦合区。

结论与意义
该研究通过CPA技术突破极化激元衰减率的量子极限，首次实现极化机械三重强耦合，其量子协同性在低温下可达C_+,b/n_b?1。这一成果不仅为光子-磁子-声子量子网络构建提供新范式，还可拓展至超导量子比特耦合系统，推动芯片级混合量子器件发展。研究团队指出，未来在YIG纳米谐振器或平面构型中应用该技术，将显著提升量子传感和信息处理能力。