不同量子系統之間的相干相互作用是量子物理和量子技術領域的一個基本科學問題。Jaynes-Cummings (JC)模型描述了兩能級量子系統和量子化的場之間的兩體相干相互作用，它是量子體系中光-物質相互作用的典型代表，奠定了量子光學的基礎。

然而，在實際的量子技術應用中，通常并不僅限于兩體相互作用。多體相互作用可以完成更復雜的任務，例如多體糾纏的制備就依賴于量子多體相互作用。但是，相比兩體相互作用，實現不同自由度之間的三體直接相互作用仍然是一個科學難題。

研究成果

李蓬勃教授課題組與合作者通過開展金剛石NV center電子自旋和磁機械裝置的全量子理論研究，發現并提出了一種全新的理論模型——利用自旋和微磁體之間的相對振動，可以實現自旋、磁子和聲子之間的直接相互作用。當自旋和微磁體之間存在相對運動時，自旋所感受到的磁振子的磁場會發生變化，從而導致這三個自由度之間在單量子水平上直接相干耦合。為了控制和增強這種三體相互作用，可利用參量驅動增大機械振動模式（聲子）的零點漲落，從而實現指數型的自旋-磁子-聲子耦合增強。有很多方式可以實現自旋和微磁體之間的相對運動。對于NV center的振動，可以利用保羅勢阱或者注入NV center的金剛石懸臂梁振子來實現。對于微磁體的振動，可以利用超導磁勢阱中懸浮磁微粒的方式實現。對于參量驅動，以上方案均可利用時變的電驅動調節機械振動的有效勁度系數。

(a)自旋-磁子-聲子耦合模型圖

(b)三種可能的實現方案

基于金剛石NV center電子自旋和磁機械裝置的自旋-磁子-聲子強耦合體系實現了三種基本性質截然不同的自由度的直接相互作用，并通過電驅動控制和增強該相互作用，具有潛在的應用價值和重要的科學意義。

例如，可以方便地實現真三體糾纏，這為相關量子技術的應用提供了便利。該研究為實現單量子水平自旋-磁子-聲子三體強耦合奠定了基礎，有望在基于固態電子自旋的多自由度量子器件以及量子信息領域中獲得重要應用。

拓展閱讀

近年來，李蓬勃教授課題組開展了新型量子體系的物理機制等基礎性研究，提出了基于內稟磁耦合、雙聲子參量驅動、空間相位調制等方法增強（實現）自旋-聲子（手性）相互作用的新機制，解決了單固態自旋量子比特與單聲子強（手性）相互作用的難題。同時，基于自旋-磁子相互作用，提出了增強（實現）單量子水平自旋-光子耦合、自旋-磁子-聲子三體相互作用等新理論方案，為構建強耦合條件下的混合量子系統開辟了新的途徑。

課題組在物理科學領域代表性期刊Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A、Phys. Rev. Applied和Phys. Rev. Research等發表了一系列重要論文。