在腔-量子电路-反铁磁体平台中观测到强三重耦合及其在微波-太赫兹频率转换中的意义

《Nature Materials》：Observation of strong tripartite coupling in a cavity-quantum circuit-antiferromagnet platform

为在量子技术中实现多体量子态的相干耦合与频率转换，研究人员在三维微波腔、颗粒铝超导薄膜微波谐振电路与反铁磁晶体组成的混合平台上，成功观测到光子-超导电路-磁振子态之间的强三重耦合，并利用超导电路的非谐性实现了跨越大频率范围（约20 GHz）的非线性相互作用，为微波与太赫兹频段之间的量子接口开辟了新路径。

　　

在量子信息科学与凝聚态物理的交叉领域，量子磁振子学因其在量子技术中的巨大潜力而备受关注。其核心目标之一是实现不同量子系统之间的相干耦合，以构建更强大的量子处理器或量子接口。其中，实现两个以上量子系统（例如磁振子、光子和超导量子比特）之间的多体相干耦合，是迈向可扩展量子处理器和实现频率转换等任务的关键一步。然而，尽管相关理论构想已久，但实际观测到超过两个系统之间的相干相互作用一直难以实现，这成为了该领域发展的一个瓶颈。

在此背景下，一项发表在《Nature Materials》上的研究取得了突破。研究人员构建了一个独特的混合量子平台，将一种反铁磁晶体、一个耐磁场的超导电路和一个三维微波腔集成在一起。他们成功在这个平台上实现了光子、超导电路和磁振子态之间的强三重耦合，并展示了跨越约20 GHz频率范围的高效非线性相互作用。这项研究不仅首次在实验中清晰地观测到了这种三重耦合，还利用反铁磁材料天然适配太赫兹频率的特性，为未来实现微波与太赫兹辐射之间的量子接口铺平了道路，在量子传感、频率转换和量子信息处理方面具有重要前景。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，他们构建了一个包含钒酸钆(GdVO₄)反铁磁晶体、颗粒铝(grAl)超导薄膜微波谐振电路和三维双环隙微波腔的混合器件。其次，他们通过微波光谱学（包括单音和双音光谱）测量了系统在不同外加磁场下的透射特性，以观察模式的色散和耦合。第三，他们利用grAl电路的非谐性（克常数K_q），在色散区通过测量交叉克尔非线性相互作用，来探测高频磁振子模式。最后，他们采用了拉姆齐干涉测量法，以grAl电路作为探针，来精确测量磁振子模式激发对电路频率的影响，从而量化模式之间的非线性耦合强度。实验在稀释制冷机中进行，温度为18 mK。

微波光谱学揭示混合系统耦合

研究人员首先进行了微波光谱学测量，绘制了透射对比度随驱动频率和外加磁场变化的图谱。结果显示，在零场下，腔体存在两个模式（5.065 GHz和6.193 GHz）。外加磁场下，反铁磁晶体的共振分裂为两支磁振子模式。其中，下磁振子分支与6.193 GHz的腔模发生了清晰的避免交叉，表明两者之间存在相干耦合。估算的耦合常数g_am≈ 2π × 1.62 GHz，表明该反铁磁-腔系统处于超强耦合区。此外，在5.86 GHz处观测到了一个线宽约1 MHz的模式，对应grAl超导电路。通过理论建模（结合麦克斯韦方程和描述磁化动力学的朗道-利夫希兹-吉尔伯特方程），研究人员还识别并归属了晶体中一系列旋磁模式，成功再现了实验观察到的所有模式色散。

与旋磁模式的非线性相互作用

通过利用grAl电路的非谐性，研究人员在色散区操作，将哈密顿量重写为包含交叉克尔非线性相互作用项的形式。这使得他们能够通过测量接近腔模的微波信号相位变化，来映射其他模式，特别是频率远高于腔模的磁振子模式。实验成功探测到了频率在22-23.6 GHz的高频旋磁模式，以及从零场约12.1 GHz开始的第二旋磁共振模式m(2,0)，并在跨越反铁磁体的自旋反倾相变区（约1.1 T）前后都观测到了其信号。这证明了grAl电路的磁场耐受性使其能够实现跨越整个相变区的连续光谱测量，并将10 GHz以上的磁模式下转换到6 GHz附近的腔模进行读取。

磁振子模式对超导电路的影响

为了精确探究磁振子模式激发对grAl电路的影响，研究人员进行了拉姆齐干涉测量。他们固定磁场在600 mT，激发第二旋磁模式m(2,0)，并观察grAl电路的拉姆齐条纹随磁振子驱动频率和光子数变化的移动。结果表明，随着注入磁振子模式的光子数n_m增加，拉姆齐条纹的失谐Δf呈线性增加，关系为Δf = K?_qmn_m，其中K?_qm≈ -0.3 Hz。这直接证明了磁振子模式对超导电路频率产生了可测量的影响，为可调谐量子传感方案提供了途径。

观测三重强耦合

由于腔与磁振子模式之间的超强耦合，在一定的磁场范围内，磁振子-光子极化激元分支与grAl电路模式可以发生共振。高分辨单音光谱测量显示，在磁场约为0.9325 T时，两个模式之间出现了清晰的避免交叉，耦合强度g约为25 MHz。在此磁场下，透射谱显示出两个极化激元分支（5.763 GHz和5.815 GHz），其不对称线形继承了grAl电路的非谐性。对此时极化激元本征态的分析表明，其是grAl电路、反铁磁模式和腔模2的相干叠加态，同时也包含少量腔模1的成分，这证实了系统中形成了相干的三重强耦合。

综上所述，本研究成功构建并演示了一个结合了grAl超导电路和反铁磁体的混合量子平台。该平台不仅实现了反铁磁体、超导电路和微波腔三者之间的强三重耦合，还利用超导电路的非谐性，展示了跨越约20 GHz大频率范围的不同模式之间的高效非线性相互作用。这一成就解决了在量子磁振子学中实现多体相干耦合的长期挑战。其重要意义在于：首先，它为基于反铁磁自旋动力学的量子器件（如量子存储器、量子逻辑门）开发提供了新的平台。其次，它为实现高精度的量子传感（如磁强计）甚至暗物质（如轴子）探测提供了可能的技术路径。最后，也是最具前景的一点，由于反铁磁体的共振频率天然位于太赫兹波段，这项工作为实现微波与太赫兹辐射之间在量子区域的频率转换开辟了切实可行的道路，对未来的量子通信和量子信息处理技术发展具有重要的推动作用。