在量子光學(xué)與量子信息領(lǐng)域，二體相互作用（如Jaynes-Cummings模型）已得到廣泛研究與應(yīng)用。然而，隨著量子計(jì)算與量子模擬對(duì)復(fù)雜相互作用的需求日益增長(zhǎng)，三體及多體相互作用成為實(shí)現(xiàn)高級(jí)量子功能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方案多依賴(lài)多個(gè)二體耦合的級(jí)聯(lián)，效率低且易受噪聲影響。如何在固態(tài)系統(tǒng)中直接實(shí)現(xiàn)強(qiáng)且可調(diào)的三體相互作用，成為當(dāng)前量子技術(shù)發(fā)展的前沿課題。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的混合系統(tǒng)：將一個(gè)三能級(jí)氮空位中心耦合到兩個(gè)釔鐵石榴石球中的磁子模式。磁子作為自旋波的量子，具有低損耗、易調(diào)控的特點(diǎn)，而氮空位中心則以其長(zhǎng)相干時(shí)間成為理想的量子接口。通過(guò)將磁子驅(qū)動(dòng)至遠(yuǎn)離共振的色散區(qū)域，團(tuán)隊(duì)成功絕熱消除了氮空位中心的基態(tài)，從而在剩余的兩個(gè)激發(fā)態(tài)之間構(gòu)建出一個(gè)有效的二能級(jí)“量子比特”，并與兩個(gè)磁子模式形成三體相互作用。

研究的關(guān)鍵突破在于利用了磁子的克爾非線(xiàn)性效應(yīng)。在強(qiáng)微波驅(qū)動(dòng)下，磁子表現(xiàn)出非線(xiàn)性頻率移動(dòng)，并可通過(guò)線(xiàn)性化處理等效為“壓縮磁子”。研究顯示，對(duì)兩個(gè)磁子模式同時(shí)進(jìn)行壓縮變換，可使三體耦合強(qiáng)度得到雙重指數(shù)增強(qiáng)，增強(qiáng)因子高達(dá)exp(2ξ)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)單一壓縮方案[僅增強(qiáng)exp(2ξ)]。這一機(jī)制大幅降低了對(duì)壓縮參數(shù)的要求，使實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)更加可行。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)值模擬與解析分析證明，在增強(qiáng)后的三體耦合作用下，系統(tǒng)可在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的三體糾纏。糾纏態(tài)在共振條件下表現(xiàn)穩(wěn)健，且對(duì)頻率失諧具有一定的魯棒性。

此外，團(tuán)隊(duì)還在該系統(tǒng)中理論預(yù)測(cè)了完美磁子阻斷現(xiàn)象。在適當(dāng)參數(shù)條件下，系統(tǒng)可通過(guò)量子路徑干涉抑制雙磁子激發(fā)，實(shí)現(xiàn)g⁽²⁾(0)≈0的強(qiáng)反聚束效應(yīng)。研究進(jìn)一步表明，該阻斷效應(yīng)在低于約30mK的溫度下具有良好的噪聲容忍性，為在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)單磁子源提供了可能。

該方案的核心優(yōu)勢(shì)在于顯著降低了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)三體耦合的實(shí)驗(yàn)難度。通過(guò)聯(lián)合壓縮機(jī)制，僅需中等壓縮參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)大幅增強(qiáng)的耦合強(qiáng)度與協(xié)作度，這為在現(xiàn)有固態(tài)量子平臺(tái)（如超導(dǎo)電路、集成磁子器件）中實(shí)現(xiàn)高效多體相互作用提供了可行路徑。

該工作以題為“Exponentially enhanced tripartite coupling in quantum nonlinear magnonics”于2025年12月23日在線(xiàn)發(fā)表于物理權(quán)威期刊《Physical Review A》，數(shù)理學(xué)院23級(jí)物研（學(xué)碩）陳雪純?yōu)檎撐牡谝蛔髡撸?strong>熊偉副教授和陳姣姣博士為論文共同通訊作者，24級(jí)物研汪子杰、鄭圣博為參與作者。該研究得到了浙江省自然科學(xué)基金、浙江省重大研發(fā)計(jì)劃以及深圳國(guó)際量子研究院等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/cbrb-8xkh