“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

      近期，上海科技大学陆卫教授团队在美国物理学会出版的Physical Review Letters上发表了以Meterscale Strong Coupling between Magnons and Photons为题的研究论文。该工作突破了光子-磁振子强耦合的近场作用距离限制，在长达20米的距离上实现了空间分离的微波光子模式与磁振子模式间的长程强耦合（如图1示意）。研究团队不仅在实验上对这种长程强耦合效应进行了展示，而且建立了一套完善的理论分析方法，对搭建相干/量子信息网络和大尺度范围上拓展量子混合系统具有重要意义。

图1 米级光子磁子强耦合体系示意图

02 研究背景

      近年来，在量子信息技术的发展过程中，研究人员迫切需要搭建混合物态系统，进而利用不同系统间的互补优势实现量子信息的处理与存储。而强耦合正是搭建混合物态系统的物理基础之一。另外，在量子计算领域中，强耦合是量子态读出与操作的重要手段。在凝聚态物理中，强耦合也同样扮演着至关重要的作用。它是很多准粒子形成的物理基础，例如固体中的磁振子极化子、极化激元等。然而，迄今为止，光-物质或物质-物质的强耦合效应仍然局限在近场。虽然空间上完全分离的两个共振系统可以依靠第三方媒介来产生间接的耦合，但是这一方式在理论上难以达到强耦合。

      如图2所示，磁性材料中的磁振子模式（自旋波）与谐振腔中的光子模式（电磁波）通过第三方媒介（例如光子库、行波、连续态等）形成了间接耦合，然而由于两个共振模式的协同效率C远小于1，因此导致能量和信息尚未在两个模式之间形成有效交换就会以热量形式散失到环境中。此次报道的工作就是针对如何突破这一局限性而开展的探索。研究团队通过向谐振腔光子模式中引入增益，巧妙地解决了这一难题。

图2 长程相互作用示意图。磁性材料中的磁振子模式（红色部分）与微波谐振腔中的光子模式（蓝色部分）通过电磁行波（图中Reservoir部分）产生间接耦合。α，κ，β和γ分别表示磁振子和光子模式的本征阻尼，以及它们向电磁行波中的能量耗散速率。两个模式的耦合协同效率C始终小于1，因此长程强耦合理论上难以实现

03 研究创新点

      在本工作中，研究团队提出了一种巧妙的思路：如下图3右上角所示，利用范德波尔谐振子机制，在平面谐振腔中引入饱和增益；在不削弱行波介导的耦合强度(即微波谐振腔与磁振子之间的耦合强度)的同时，对谐振腔光子模式的能量耗散进行了补偿，因此消除了行波介导引发的能量耗散问题。经过这一设计，微波光子模式与磁振子模式之间的耦合协同率C显著提高，因此在理论上有了实现长程强耦合的可能性。这一思路对于光子-磁振子耗散耦合和相干耦合同样有效。

      进一步，研究团队在实验中完全验证了这一点，不仅在20 m的距离上实现了光子-磁振子相干强耦合，而且在7.6 m的距离上实现了耗散强耦合，均为目前所报道的最远强耦合距离。

图3 光子-磁振子长程强耦合实验装置图。磁性小球中的磁振子模式（左上角）经过微波线缆、移相器和衰减器后与有源平面谐振腔（右下角）连接。移相器和衰减器用于调控线缆中的电磁行波，进而实现切换光子-磁振子耦合状态和控制耦合强度

      除了实现长程强耦合，该工作还展示了一种远程调控光子-磁振子强耦合的新维度。如图4所示，通过调节两个子系统之间传输线中电磁行波的振幅，我们可以对耦合强度进行直接调控。而通过对电磁行波相位的调节，可以将光子-磁振子强耦合在相干耦合与耗散耦合之间灵活地切换，不需要对两个子系统进行任何操作。这一调控维度极大地拓展了耦合系统的调控自由度，文中对这些调控过程进行了清晰的理论描述，对于远程控制光子-磁振子耦合具有重要的理论指导意义。

图4 光子-磁振子长程强耦合实验结果。上图：长程耦合系统示意图。左下：光子-磁振子相干耦合效应。降低波导中电磁行波的透射率σ，相干耦合强度|J|/2π呈线性降低。右下：光子-磁振子耗散耦合效应。耗散耦合强度|г|/2π同样可以被电磁行波透射率精确调控

04 总结与展望

      综上，本项研究利用增益发展了一种实现长程强耦合的新方法，并且对长程强耦合给出了一套行之有效的定量调控方案和理论分析方法。根据本工作的理论预言，米级别的距离远不是强耦合的极限。通过双向放大电磁行波，实验中有望实现公里级别甚至更远的超长程强耦合，也有希望实现以自由空间为介导的无线长程耦合。本项工作提出的实现长程强耦合的方法具有很好的普适性，能够很好的拓展到其他物理体系中。此外，本项成果也为搭建复杂量子信息系统提供了一种新方案——以光子-磁振子长程强耦合为基础在不同的量子系统之间传递信息，这对于拓展量子混合系统有重要的意义。

      本项研究工作由上海科技大学、中国科学院上海技术物理研究所共同完成。论文第一作者为上海科技大学饶金威助理研究员，论文通讯作者为饶金威助理研究员、中国科学院上海技术物理研究所姚碧霂研究员和上海科技大学陆卫教授。该工作得到了国家自然科学基金优青、面上和青年项目，上海市基础研究领域项目和浦江人才计划，国家重点研发计划项目，中国科学院青促会项目和中国科学院先导专项的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.106702

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编辑 | 韩峰