西安交通大学物理学院李蓬勃教授课题组在基于磁振子-斯格明子量子耦合的混合量子系统研究方面取得重要进展，从理论上提出了磁振子-斯格明子二能级系统量子相互作用的新机制。该成果以“Magnon-Skyrmion Hybrid Quantum Systems: Tailoring Interactions via Magnons”为题，于2024年5月6日发表在 国际物理顶级期刊Physical Review Letters（《物理评论快报》）上。

不同物理体系之间的相干和耗散相互作用是量子科学和技术的基本问题。这些不同类型的相互作用是基于混合量子系统进行量子信息处理的理论基础。Jaynes-Cummings (JC)模型描述了两能级量子系统和量子化单模场之间的相干相互作用，它是量子体系中光-物质相互作用的经典理论模型，奠定了量子光学的基础。探索基于不同物理自由度相互作用的新量子系统和新理论方法具有重要的科学意义和研究价值。

李蓬勃教授课题组与合作者通过开展磁振子和斯格明子相互作用的全量子理论研究，提出了一种全新的理论模型——利用磁偶极相互作用，可以实现磁振子和斯格明子二能级体系之间的强耦合。当量子化的自旋波（磁振子）被激发时，斯格明子量子比特感受到磁振子的磁场会发生变化，从而能够实现由JC模型描述的磁振子和斯格明子量子比特在单量子水平上的直接相干耦合。为了控制和增强磁振子和斯格明子量子比特的相干耦合，可以利用磁振子克尔效应，通过参量驱动增大磁振子的零点涨落，从而实现指数型的相互作用增强。此外，磁振子-斯格明子混合量子系统对支持磁子模式的磁性材料的几何形状没有具体限制，因此，球形、薄膜或块状磁性材料均可用于构建该混合量子系统。

磁振子-斯格明子混合量子系统耦合机制示意图

基于磁振子和斯格明子构建的全磁混合量子系统可以实现磁振子和斯格明子中量子化的螺旋度自由度之间的直接强耦合，并能够控制和增强该相互作用，具有潜在的应用价值和科学意义。例如，可以实现长程的斯格明子量子比特之间以及斯格明子量子比特与其他量子体系之间的相干耦合；并且利用量子库工程的方法，能够实现斯格明子量子比特之间以及斯格明子量子比特与其他量子体系之间的非互易响应，这为相关量子技术的应用提供了便利。这项工作为研究微磁结构的各种量子效应和量子信息处理提供了一个很有前途的量子平台。

西安交通大学物理学院为该论文的第一完成单位，博士生潘雪峰为论文第一作者，李蓬勃教授为论文唯一通讯作者。参与此工作的还有西安交通大学黑鑫磊博士、李福利教授，日本理化学研究所的Franco Nori教授，以及日本早稻田大学的张溪超助理教授和Masahito Mochizuki教授。

近年来，李蓬勃教授课题组开展了新型混合量子系统的物理机制等基础性研究，提出了基于内禀磁耦合、双声子参量驱动、空间相位调制等方法增强、调制自旋-声子相互作用的新机制，同时基于磁偶极相互作用，提出了单量子水平自旋-磁振子-声子三体耦合、磁振子-斯格明子量子耦合等新方案，为构建强耦合条件下的混合量子系统开辟了新的途径。在物理科学领域代表性期刊Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A、Phys. Rev. B、Phys. Rev. Applied和Phys. Rev. Research等发表一系列重要学术论文。研究工作得到国家级青年人才项目、国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持计划、日本科学技术振兴机构科学项目、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.193601

李蓬勃教授课题组链接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/lipengbo