近日，上海科技大学物质科学与技术学院陆卫团队在国际学术期刊Physical Review Letters（物理评论快报）上发表了最新科研进展。该研究突破了光子与磁振子在近场作用的距离局限，实现了在长达20米距离上的长程强耦合（图1）。研究团队不仅在实验中展示了这种长程强耦合，还建立了一套全面的理论分析方法，这对于构建相干/量子信息网络和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
近年来量子信息技术快速发展，研究人员迫切需要构建量子混合系统，以实现不同量子系统间的优势互补，从而处理和存储量子信息。强耦合是实现这一目标的关键物理基础之一。此外，在量子计算、凝聚态物理等领域，强耦合也扮演着至关重要的角色。然而，目前的强耦合现象主要还局限在近场范围内。虽然两个空间上完全分离的共振系统能够通过第三方媒介形成间接耦合（图2），但这种方式在理论上很难达到强耦合的程度。陆卫团队通过引入增益到谐振腔光子模式中，成功解决了这一问题。
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。，，和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。
本研究提出了一个巧妙的方法（图3）：通过使用范德波尔谐振子机制，在平面谐振腔中引入饱和增益，消除了由行波介导引发的能量耗散。这一设计显著提高了微波光子模式与磁振子模式之间的耦合效率，从理论上为实现长程强耦合提供了可能。实验验证了这一点，不仅在20米的距离上实现了光子与磁振子的相干强耦合，还在7.6米的距离上实现了耗散强耦合，这是迄今为止报道的最远的强耦合距离。
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。
该研究还发展了一种新的维度用于远程调控光子与磁振子间的强耦合，通过调整两个子系统间传输线上电磁波的振幅来直接控制耦合强度。同时，通过调节电磁波的相位，研究人员可以在相干耦合和耗散耦合之间灵活地切换，而无需对任何子系统进行操作（图4）。这一新的调控维度显著增强了耦合系统的可调性。论文对这些调控过程的理论依据也展开了分析阐述，为远程控制光子与磁振子耦合提供了重要的理论指导。
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，相干耦合强度呈线性降低。右下：光子-磁振子耗散耦合效应。耗散耦合强度同样可以被电磁行波透射率精确调控。
总体而言，本研究通过利用增益推出了一种新的方法，实现了长距离强耦合，并为这种耦合提供了一套有效的定量调控方案和理论分析方法。根据该研究的理论预测，米级距离并非强耦合的上限。实验中有望通过双向放大电磁波来实现公里级或更远的超长距离强耦合，甚至可能实现自由空间介导的无线长距离耦合。这一新方法具有很强的通用性，可以应用于其他物理系统。此外，该研究还提供了一个新的方案，用于构建复杂的量子信息系统——即通过基于光子与磁振子的长距离强耦合在不同量子系统间传递信息，这对扩展量子混合系统具有重要意义。