由於量子易受其周圍環境的影響，由於外部信號的影響，量子相干性和量子態很容易被破壞，外部信號可能包括測量電路中的熱噪聲和反向散射信號。因此，研究人員一直試圖開發能夠實現非互易信號傳播的技術，這可以幫助阻止反向噪聲的不良影響。在新的一項研究中，加拿大馬尼託巴大學動態自旋電子學小組的成員提出了一種在混合量子系統中產生耗散耦合的新方法。其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上，這使非互易信號傳播具有相當大的隔離率和靈活的可控性。
參與這項研究的馬尼託巴大學博士後研究員王義普(音譯)說：我們在腔磁子中的非互易性方面研究，是基於腔自旋電子學和混合量子系統相結合的研究領域，這為構建新的量子信息處理平臺帶來了希望。在過去的幾十年中，量子技術領域的研究主要是探索子系統之間的相干耦合機制，因為耗散耦合機制還沒有在混合量子系統中得到廣泛的考慮和利用。然而，去年馬尼託巴大學的同一組研究人員揭開了一種有趣的、新型耗散磁子-光子耦合的面紗。這一發現立即給出了很多啟發，因為耗散耦合可以用來打破時間反轉對稱，因為它固有的耗散特性。
這促使研究人員創建將耗散耦合效應和相干耦合效應相結合的系統，以實現非互易特性。在新研究中著手開發一種線性狀態下具有高隔離和低插入損耗的設備，因為這些特性可以幫助量子信息技術的發展。創造的裝置有兩個關鍵部件：一個平面十字形微波電路和一個小的釔鐵石榴石(YIG)球體。參與這項研究的馬尼託巴大學博士生拉金偉(Jinwei Rao)說：設備的工作原理相當於微波二極體，它能讓某些設計工作頻率的微波只向一個方向傳播。平面交叉電路是專門設計的，以支持駐波的形成，並允許行波在其上流動。
將YIG球體放置在微波電路的頂部，研究人員能夠促進行波、駐波和磁自旋之間的合作相互作用。這些相互作用允許相干和耗散耦合效應隨時間持續。研究人員觀察到，這些耦合效應之間的相對相位取決於輸入微波信號的傳播方向。值得注意的是，在開發的腔磁子系統中，這種微波信號產生了非互易性和單向不可見性。研究人員還開發了一個簡單的模型，該模型概述並捕獲了相干耦合和耗散耦合之間幹擾背後的一般物理原理。發現，這個模型準確地描述了在廣泛的參數範圍內收集的觀測結果。
模型是由一個非厄米特哈密頓量描述，其中光子和磁振子激發之間的耦合強度是一個複數。這種耦合強度的實部表示相干耦合效應，虛部表示耗散耦合效應。研究人員提出的模型表明，相干耦合有點類似於由彈性彈簧連接兩個機械擺之間的相互作用。另一方面，耗散耦合類似於由減震器連接的兩個鐘擺之間的相互作用，這引入了摩擦力，從而導致能量的耗散所開發的這個非互易器件中，相干耦合和耗散耦合效應之間的相對相位被描述為相位項。這個相位項與輸入微波信號的加載配置密切相關，幹擾效應總是與交叉術語的作用相對應。
通常A和B之間的幹涉效應反映在A乘以B的數學項中，它可以來自(A±B)的平方。相干和耗散耦合的交叉項源於復耦合強度的平方項，出現在透射係數中。這項研究是最先介紹一種在腔磁系統中產生耗散耦合的方法之一。使用這種新方法，研究人員能夠在耦合系統中實現非互易性，其方式也可以擴展到其他物理系統或不同頻率範圍的耦合。由於相干耦合和耗散耦合之間的相互作用被認為是耦合系統中相當普遍的現象，該方法可以啟發其他物理領域的進一步研究。此外，儘管開發的設備非常簡單，但發現它包含並展示了新的物理效果。
在此之前，相干耦合是研究的熱點領域，儘管一些物理學家也在選擇領域研究耗散耦合。然而，這些形式的耦合通常是獨立研究的，因為它們被認為控制著它們自己獨特的物理規律。研究發現，當這兩種形式的耦合在同一系統中組合時，就會發生不尋常的反應，實驗首次系統地演示了腔磁系統中出現的特殊物理現象。馬尼託巴大學動態自旋電子學團隊新開展的工作，通過概述混合量子系統中耗散光子-磁振子耦合的動力學，為量子技術的發展開闢了一條新道路。
模型所勾勒出的非互易物理動力學最終可以為不同功能微波器件的設計提供信息，這些器件具有許多可能的應用，包括隔離器、環行器、傳感器和切換器。馬尼託巴大學動態自旋電子學研究組負責人胡康明博士(Dr.Can-ming Hu)說：作為第一步，研究小組現在專注於發明一種小型化的可攜式微波隔離器，其技術性能可能超過市面上可買到的產品。發展量子信息技術的國際社會對這種裝置的需求很高，很多國家正在投入巨資，繼續研究這種新腔體自旋電子學的道路，前景非常光明。
博科園｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys參考期刊《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.127202博科園｜科學、科技、科研、科普關注【博科園】看更多大美宇宙科學哦