固態量子體係是量子技術研究中最具前途的物理係統之一，並且在量子物理基礎研究方麵也具有重要科學價值。在基於固態量子體係構建混合量子係統及進行量子信息處理方麵，一個非常重要的基本科學問題是實現單電子自旋比特與納米機械振子的強相互作用。目前普遍采用的構建自旋-納米機械振子的混合量子係統方案是通過晶格應變的內稟耦合方式或者利用外部梯度磁場的外稟磁耦合。但是，由於自旋-聲子耦合強度比較小，目前實驗上還沒有實現強耦合條件下的自旋-納米機械振子混合量子係統，這嚴重阻礙了自旋-聲子耦合體係在量子物理與量子信息處理方麵的應用。

　　近日，西安交大物理學院量子光學與量子信息團隊李蓬勃教授課題組通過開展金剛石NV center電子自旋和納米機械體係耦合的全量子理論研究，發現並提出了一種全新的理論方案——通過線性調製納米機械振子的徑度係數，可以放大機械模的零點漲落，進而直接增強自旋與聲子的耦合強度。研究結果表明，利用提出的新方法，自旋-聲子耦合強度以及虛激發聲子誘導的自旋間有效偶極-偶極相互作用可以被指數式增強。此方法可以把自旋-納米機械振子混合係統從弱耦合區域驅動增強到強耦合區域甚至超強耦合區域。在自旋與機械振子色散耦合條件下，此方法可以把虛聲子誘導的自旋間有效偶極-偶極相互作用強度提高兩個數量級。此方法具有廣泛的適用性，可以用於增強其他固態量子比特和量子納米機械單元的耦合。更為重要的是，此方法可以隻使用線性資源就可以實現聲子的非線性作用過程，極大地簡化了實驗條件，實驗上簡單易行。

　　上述研究成果以“Enhancing Spin-Phonon and Spin-Spin Interactions Using Linear Resources in a Hybrid Quantum System”為題發表在國際頂級物理期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。西安交通大學物理學院為該論文的第一完成單位，李蓬勃教授為論文第一作者和通訊作者。參與此工作的還有日本理化學研究所的Franco Nori 教授、新加坡南洋理工大學的高煒博教授以及湖北汽車工業學院周原博士。這項研究工作得到國家自然科學基金、陝西省自然科學基礎研究計劃傑青項目、日本科學技術振興機構科學項目、湖北省自然科學基金等項目的支持。

NV center電子自旋和納米機械振子耦合示意圖