固态量子体系是量子技术研究中最具前途的物理系统之一，并且在量子物理基础研究方面也具有重要科学价值。在基于固态量子体系构建混合量子系统及进行量子信息处理方面，一个非常重要的基本科学问题是实现单电子自旋比特与纳米机械振子的强相互作用。目前普遍采用的构建自旋-纳米机械振子的混合量子系统方案是通过晶格应变的内禀耦合方式或者利用外部梯度磁场的外禀磁耦合。但是，由于自旋-声子耦合强度比较小，目前实验上还没有实现强耦合条件下的自旋-纳米机械振子混合量子系统，这严重阻碍了自旋-声子耦合体系在量子物理与量子信息处理方面的应用。

近日，西安交大物理学院量子光学与量子信息团队李蓬勃教授课题组通过开展金刚石NV center电子自旋和纳米机械体系耦合的全量子理论研究，发现并提出了一种全新的理论方案——通过线性调制纳米机械振子的径度系数，可以放大机械模的零点涨落，进而直接增强自旋与声子的耦合强度。研究结果表明，利用提出的新方法，自旋-声子耦合强度以及虚激发声子诱导的自旋间有效偶极-偶极相互作用可以被指数式增强。此方法可以把自旋-纳米机械振子混合系统从弱耦合区域驱动增强到强耦合区域甚至超强耦合区域。在自旋与机械振子色散耦合条件下，此方法可以把虚声子诱导的自旋间有效偶极-偶极相互作用强度提高两个数量级。此方法具有广泛的适用性，可以用于增强其他固态量子比特和量子纳米机械单元的耦合。更为重要的是，此方法可以只使用线性资源就可以实现声子的非线性作用过程，极大地简化了实验条件，实验上简单易行。

上述研究成果以“Enhancing Spin-Phonon and Spin-Spin Interactions Using Linear Resources in a Hybrid Quantum System”为题发表在国际顶级物理期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。西安交通大学物理学院为该论文的第一完成单位，李蓬勃教授为论文第一作者和通讯作者。参与此工作的还有日本理化学研究所的Franco Nori 教授、新加坡南洋理工大学的高炜博教授以及湖北汽车工业学院周原博士。这项研究工作得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划杰青项目、日本科学技术振兴机构科学项目、湖北省自然科学基金等项目的支持。

NV center电子自旋和纳米机械振子耦合示意图

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153602

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