量子磁子學---自旋波電子學與量子信息科學的相遇

回顧百餘年的電子工業發展史，基礎電子元件經歷了由真空電子管到半導體晶體管、場效應管，再到大規模集成電路的演化過程。如今電子設備單位面積上的元件數量越來越多，單個元件尺寸越來越小。由於存在量子隧穿效應，元件密度難以進一步增加。此外，電子作爲信息載體，其輸運過程中會產生焦耳熱，電子計算設備的運行和冷卻需要消耗大量的能源。因此，利用自旋自由度來進行信息處理成爲後摩爾時代電子學的重要發展方向，並被納入國際半導體技術發展藍圖。近年來，對自旋波的研究成爲磁學與自旋電子學的一個熱點領域。

圖1：量子磁子學的研究框架。

自旋波是磁性材料中磁矩進動的集體激發，其量子化的準粒子稱爲磁子，每一個磁子均攜帶一個約化普朗克常數的自旋角動量，在具有旋轉對稱性的磁結構中，自旋波還可以攜帶軌道角動量。自旋波電子學主要研究納米結構中的自旋波行爲，以及自旋波之間或自旋波與其它磁結構和（準）粒子的相互作用。渦旋態自旋波可以充當一個磁鑷子，對磁性準粒子進行操控；而發生在非共線磁結構中的非線性磁子散射甚至會產生自旋波頻率梳，讓磁子擁有精密測量的能力。

這些激動人心的研究結果表明，磁子完全可以像電子和光子一樣承載和傳遞信息。原則上，以磁子編碼的信息由於損耗小，可以通過磁性絕緣體長距離傳播，從而顯著降低能量消耗；除此以外，磁子還具有易集成，非互易，以及高效可調等優勢。另一方面，量子信息科學利用量子力學的基本原理，如量子態的疊加性和糾纏性，進行信息的編碼和計算。在過去的幾年裡，用於量子信息處理的高品質量子比特和腔光子取得了重要突破，爲磁子與量子系統的融合與集成提供了理想的物理平臺，磁子與腔光子、超導量子比特、機械振子的強耦合在實驗上相繼被實現。自旋波電子學與量子信息科學的交叉研究正在成爲一門新興學科 — 量子磁子學。

近日，荷蘭烏特勒支大學袁懷洋和電子科技大學嚴鵬等人應邀在物理學綜述期刊《物理報道》發表了 “量子磁子學：自旋波電子學與量子信息科學的相遇”的長篇綜述文章。作者們回顧了自旋波電子學和量子信息交叉研究興起的科學背景，梳理了量子磁子學的定義和研究框架（如圖1所示），即量子磁子學是研究磁子的量子狀態，以及磁子量子態與已有的量子平臺相互耦合和協同發展的學科。更加廣泛地講，磁子系統的量子多體態，如玻色-愛因斯凝聚、自旋超流也包含在這個研究框架裡，從而明確了量子磁子學的研究範疇，爲進一步開展量子磁子學研究理清了思路。

圖2：單磁子態、壓縮態、薛定諤貓態的相空間魏格納分佈（從左至右）。

在此基礎上，作者們分析了磁子量子態的研究現狀，包括單磁子態、壓縮態、薛定諤貓態（如圖2所示）的物理性質、產生方式和實驗探測；討論了磁子的量子多體態，包括自旋超流和玻色-愛因斯坦凝聚等；並澄清了學界關於磁子凝聚效應中經典和量子成分的爭論。接着，作者們梳理了磁子與光子系統、超導比特、缺陷比特、聲子系統等量子體系相互耦合形成的複合體系的量子特性。其中對磁光耦合體系的研究也被稱爲腔自旋電子學，是目前量子磁子學中開展實驗較多的分支之一；磁光之間的相干與耗散耦合、磁光邏輯門、非互易微波傳輸等現象均已被實驗實現，爲調控磁光信息的相互轉換提供了新思路。進一步地，作者們總結了量子磁子學在非厄米量子力學、信息存儲、精密測量、暗物質發現等領域的應用。最後，作者們凝練了當前該領域面臨的挑戰和亟需解決的關鍵科學問題，主要包括磁子量子態的實驗探測與調控、非共線磁結構裡的量子激發、量子磁子學器件的製備等，並進一步展望了未來的發展方向。

該綜述爲人們開展自旋波電子學和量子信息科學的交叉研究理清了思路，建立了框架並奠定了關鍵理論基礎。其中，作者們對磁子量子態、離散和連續變量系統的量子糾纏等基礎知識作了詳細的介紹，能爲初學者進入這個領域提供有益的參考；對磁子學發展現狀的討論有望吸引和激勵更多的優秀學者關注和促進這個新興領域的發展；對關鍵科學問題的凝練爲後續開展研究工作提供了思路。總之，在量子磁子學這一新興領域的持續努力將極大地拓展我們對自旋和信息的認識邊界，有着重要的基礎科學意義。

該工作受歐盟瑪麗居里項目，ERC Consolidator基金，西班牙科學與創新部AEI項目，以及國家自然科學基金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.physrep.2022.03.002