过去十多年，随着量子调控和精密测量技术的发展，人们在一些宏观物理系统中实现了单量子的相干调控，例如，在共面波导谐振腔中实现了微波单光子的调控，在光力系统和表面声学波系统中实现了单声子的调控。然而，在宏观自旋系统中如何实现单自旋波量子的调控一直是一个具有挑战性的研究课题。 

近日浙江大学物理学院混合量子体系研究组利用自旋波量子与超导量子比特的相干耦合在国际上首次实现单自旋波量子的调控，包括实现单自旋波量子态和单自旋波量子与真空（零自旋波量子）的叠加态。实验装置由特别设计的微波谐振腔、亚铁磁钇铁石榴石（YIG）小球和超导量子比特组成，如图1 (a)所示。其中YIG小球中的自旋波量子和超导量子比特分别与谐振腔中的微波光子实现了强耦合，并通过交换微波虚光子实现自旋波量子与超导量子比特之间较强的相干耦合。由于自旋波量子相干性和超导量子比特调频的限制，国际上的前期研究仅限于在色散耦合区对自旋波量子进行探测，而无法实现对单个自旋波量子的相干调控。研究组通过利用Autler-Townes效应实现对超导量子比特的调频，如图1 (b)所示，进而实现超导量子比特与单自旋波量子的相干共振耦合。在此基础上，制备了单自旋波量子态以及单自旋波量子与真空（零自旋波量子）的叠加态，并使用量子态层析技术获得刻画单自旋波量子状态的密度矩阵，如图1(c)所示。该实验是磁学领域中首次实现单自旋波量子的相干调控，将为量子极限下自旋波的研究开辟新方向。

图1. 宏观自旋系统中单自旋波量子的调控

该论文近期发表在Physical Review Letters期刊上【Da Xu#, Xu-Ke Gu#, He-Kang Li, Yuan-Chao Weng, Yi-Pu Wang*, Jie Li, H. Wang, Shi-Yao Zhu, and J. Q. You*, Quantum Control of a Single Magnon in a Macroscopic Spin System, Phys. Rev. Lett. 130,193603(2023)】，并被编辑推介（Editors’ Suggestion）。浙江大学物理学院游建强教授和王逸璞研究员为本文共同通讯作者，物理学院博士后徐达和博士生顾旭科为共同第一作者。合作者有浙江大学物理学院的朱诗尧院士、王浩华教授、李杰研究员和李贺康博士等。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.193603