由于量子易受其周围环境的影响，由于外部信号的影响，量子相干性和量子态很容易被破坏，外部信号可能包括测量电路中的热噪声和反向散射信号。因此，研究人员一直试图开发能够实现非互易信号传播的技术，这可以帮助阻止反向噪声的不良影响。在新的一项研究中，加拿大马尼托巴大学动态自旋电子学小组的成员提出了一种在混合量子系统中产生耗散耦合的新方法。其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上，这使非互易信号传播具有相当大的隔离率和灵活的可控性。
参与这项研究的马尼托巴大学博士后研究员王义普(音译)说：我们在腔磁子中的非互易性方面研究，是基于腔自旋电子学和混合量子系统相结合的研究领域，这为构建新的量子信息处理平台带来了希望。在过去的几十年中，量子技术领域的研究主要是探索子系统之间的相干耦合机制，因为耗散耦合机制还没有在混合量子系统中得到广泛的考虑和利用。然而，去年马尼托巴大学的同一组研究人员揭开了一种有趣的、新型耗散磁子-光子耦合的面纱。这一发现立即给出了很多启发，因为耗散耦合可以用来打破时间反转对称，因为它固有的耗散特性。
这促使研究人员创建将耗散耦合效应和相干耦合效应相结合的系统，以实现非互易特性。在新研究中着手开发一种线性状态下具有高隔离和低插入损耗的设备，因为这些特性可以帮助量子信息技术的发展。创造的装置有两个关键部件：一个平面十字形微波电路和一个小的钇铁石榴石(YIG)球体。参与这项研究的马尼托巴大学博士生拉金伟(Jinwei Rao)说：设备的工作原理相当于微波二极管，它能让某些设计工作频率的微波只向一个方向传播。平面交叉电路是专门设计的，以支持驻波的形成，并允许行波在其上流动。
将YIG球体放置在微波电路的顶部，研究人员能够促进行波、驻波和磁自旋之间的合作相互作用。这些相互作用允许相干和耗散耦合效应随时间持续。研究人员观察到，这些耦合效应之间的相对相位取决于输入微波信号的传播方向。值得注意的是，在开发的腔磁子系统中，这种微波信号产生了非互易性和单向不可见性。研究人员还开发了一个简单的模型，该模型概述并捕获了相干耦合和耗散耦合之间干扰背后的一般物理原理。发现，这个模型准确地描述了在广泛的参数范围内收集的观测结果。
模型是由一个非厄米特哈密顿量描述，其中光子和磁振子激发之间的耦合强度是一个复数。这种耦合强度的实部表示相干耦合效应，虚部表示耗散耦合效应。研究人员提出的模型表明，相干耦合有点类似于由弹性弹簧连接两个机械摆之间的相互作用。另一方面，耗散耦合类似于由减震器连接的两个钟摆之间的相互作用，这引入了摩擦力，从而导致能量的耗散所开发的这个非互易器件中，相干耦合和耗散耦合效应之间的相对相位被描述为相位项。这个相位项与输入微波信号的加载配置密切相关，干扰效应总是与交叉术语的作用相对应。
通常A和B之间的干涉效应反映在A乘以B的数学项中，它可以来自(A±B)的平方。相干和耗散耦合的交叉项源于复耦合强度的平方项，出现在透射系数中。这项研究是最先介绍一种在腔磁系统中产生耗散耦合的方法之一。使用这种新方法，研究人员能够在耦合系统中实现非互易性，其方式也可以扩展到其他物理系统或不同频率范围的耦合。由于相干耦合和耗散耦合之间的相互作用被认为是耦合系统中相当普遍的现象，该方法可以启发其他物理领域的进一步研究。此外，尽管开发的设备非常简单，但发现它包含并展示了新的物理效果。
在此之前，相干耦合是研究的热点领域，尽管一些物理学家也在选择领域研究耗散耦合。然而，这些形式的耦合通常是独立研究的，因为它们被认为控制着它们自己独特的物理规律。研究发现，当这两种形式的耦合在同一系统中组合时，就会发生不寻常的反应，实验首次系统地演示了腔磁系统中出现的特殊物理现象。马尼托巴大学动态自旋电子学团队新开展的工作，通过概述混合量子系统中耗散光子-磁振子耦合的动力学，为量子技术的发展开辟了一条新道路。
模型所勾勒出的非互易物理动力学最终可以为不同功能微波器件的设计提供信息，这些器件具有许多可能的应用，包括隔离器、环行器、传感器和切换器。马尼托巴大学动态自旋电子学研究组负责人胡康明博士(Dr.Can-ming Hu)说：作为第一步，研究小组现在专注于发明一种小型化的便携式微波隔离器，其技术性能可能超过市面上可买到的产品。发展量子信息技术的国际社会对这种装置的需求很高，很多国家正在投入巨资，继续研究这种新腔体自旋电子学的道路，前景非常光明。
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参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.127202
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