量子态下的磁振子压缩

倾听最安静的磁体

科学家们不断在测量能力的极限上推进，从时空中的微弱波纹到暗物质的窃窃低语。为此，他们需要抑制那些通常会模糊任何微弱信号的随机量子抖动。本文展示了如何在一种由万亿个微小磁矩集体作用的新型系统中平息这些抖动。通过将它们的涨落塑造成一种特殊的“挤压”形态，研究者为超灵敏探测器和测试量子物理何处终止并过渡到日常经验的新方法打开了道路。

许多自旋化作一个整体

在某些晶体中，无数原子的磁矩可以协同运动，同步振荡，表现得像一个单一的振动物体。这些集体的磁化波动称为磁振子（magnon）。团队使用的是一颗半径仅约一毫米但包含大约一万亿亿自旋的钇铁石榴石小球。在这颗小球中，最简单的振动——所有自旋齐一致进动——表现得像一个非常干净且寿命长的量子振荡器。因此，这类小球成为构建连接微观电路与宏观、几乎可触知物体之间的量子器件的有吸引力的候选体。

教会磁体感受量子挤压

量子挤压指的是在减少系统某一性质不确定度的同时允许相应互补性质的不确定度增加，就像把可能的位置和动量的圆圈拉成一条细长的椭圆。对光场而言，这一技巧已用于提升引力波探测器的灵敏度。但要在大型固体中的磁振子上实现相同的技巧一直很困难，因为能够改造其量子噪声的自然相互作用极为微弱。作者的解决办法是将磁性小球和一个微小的超导电路（称为transmon量子比特）置于同一个微波谐振腔内，并将系统冷却到接近绝对零度上方约一万分之十度的温度。谐振腔允许量子比特与磁振子模之间强烈相互作用而不必频繁交换真实能量，从而产生一种有效的非线性相互作用，可以塑造磁振子的量子态。

塑造并观察量子噪声

通过使用受控微波驱动精细调节量子比特的频率，研究者在磁振子模中构造出一种称为Kerr非线性的自相互作用。与此同时，他们温和地驱动磁振子，使其不再保持在天然的基态。在这两者的共同作用下，磁振子的量子态在抽象的“相位空间”中逐渐发生剪切，从圆形云团演化为扭曲的、被挤压的形状。为观察这一无形的转变，团队开发了一种磁振子辅助的拉曼过程：一种可控的两步相互作用，用以在磁振子与量子比特之间交换信息。利用量子比特作为探针，他们在不同演化时间重建了磁振子态的完整画像，即其维格纳函数（Wigner function）。

证明其确为量子态

重建的画像揭示了挤压的典型特征：磁振子运动的一个正交分量相比量子“真空”显示出减小的涨落，而正交的分量则更为嘈杂。定量上，噪声减少约达到低于真空水平1分贝左右。最关键的是，在整个实验过程中平均磁子数保持低于1，这意味着该效应并非大型的经典振动，而是真正对微小量子涨落的重塑。研究团队还跟踪了这种脆弱态的衰减。当工程出的相互作用被关闭时，挤压的图样在约145纳秒（145十亿分之一秒量级）时标上恢复为圆形、未挤压的形态。当相互作用保持开启时，它能部分抵消这种衰减，使可见的挤压持续时间延长超过两倍。

一种用于超精密传感的新工具

这项工作表明，即便是包含极大量自旋的固体物体，也可以被操控到一个精巧的挤压量子态并维持足够长的时间以实现实际用途。通过增强耦合强度并进一步改进磁性材料，达到更强的挤压和更长的寿命应当可期。此类改进可以直接转化为用于引力波、暗物质轴子以及其他难以捉摸现象的更敏锐量子传感器，同时也提供了一个新的舞台来探索量子行为在宏观尺度上如何存续或崩溃。

引用: Weng, YC., Xu, D., Chen, Z. et al. Magnon squeezing in the quantum regime. Nat Commun 17, 2679 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69312-4

关键词: 量子挤压, 磁子学, 钇铁石榴石, 混合量子系统, 量子计量学