2026年10月13日——量子信息系统有朝一日可能通过更快的计算、更灵敏的传感和更安全的通信来塑造日常生活。美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（U. of I.）的一项新成果标志着，磁自旋——一种可用于存储和操纵信息的物质量子特性——在未来的量子信息处理中发挥作用迈出了重要一步。

研究人员表明，材料磁态中的涟漪——称为自旋波——可以与超导电路相互作用；超导电路是一种能够传输微波信号的微型电路。其结果是形成一个混合系统，其中这两种不同的信息承载方式可以相互作用并协同工作。

可以把它想象成一辆混合动力汽车：内燃机和电动机以根本不同的方式运行，但混合动力汽车将二者连接起来，使它们能够协同工作。类似地，这一新量子系统将磁自旋波与超导电路结合在一起，有望使研究人员融合二者的优势。

“这是我们首次展示概念验证，证明我们可以将自旋波耦合到超导谐振器，”Yi Li说。他是阿贡科学家，也是这篇发表于《物理评论快报》的论文的第一作者。

超导电路是许多量子信息系统的标准部件，有助于连接和控制这些系统内部的信号。一种想象它们的方式是将其视为微小的片上天线：它们发送和接收微波信号的方式增强了与设备其他部分的通信。这一作用使它们在量子计算中尤为重要，因为量子态所承载的信息可能很脆弱。

自旋波提供了另一种优势。在某些条件下，自旋波是单向的，意味着它们天然偏好沿一个方向传播而非相反方向。这很有用，因为量子系统通常需要单向信号控制，以帮助防止不需要的噪声泄漏回量子组件。

“单向传播很重要，因为它有助于将信息引导到单一方向，并减少不需要的返回信号，”Li说。“这种控制对量子信息科学很有价值，现在我们可以将这一功能集成到超导电路上。”

实验的核心是一个构建在薄磁性薄膜上的器件，该薄膜为自旋波传播提供了路径。该薄膜由外延钇铁石榴石（YIG）制成，这是自然界中维持磁运动最高效的材料：当这些运动穿过它时，能量损失非常少。第二层——超导电路——直接制造在磁性薄膜上方。当自旋波穿过薄膜时，它会在其上方的电路中激发微波。该电路——一种高效的片上天线——经过调谐，可与薄磁性薄膜中的自旋波相互作用。由此，自旋波与超导电路结合在一起。

“我们周围发生的一切、我们所知的一切、传达到我们的一切，都以波的形式出现，”阿贡杰出研究员Valentine Novosad说。他是阿贡科学家，也是该论文的主要通讯作者。“这项工作是其中一个例子：我们利用磁激发——即芯片上经图案化的磁性材料中的自旋波——使它们与一种存在于超导谐振器中的不同种类电磁波进行通信。”

这种设计实现了自旋波与微波之间的强耦合。它还实现了混合模式的单向传播，这一策略使超导电路中携带的信息能够沿一个方向而不是另一个方向传播。

“在量子信息工程中，我们深入研究不同的材料体系，探索奇异的材料特性，看看哪些材料能够做出特殊的事情或为现代技术提供动力，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Founder教授、论文通讯作者Axel Hoffmann说。“因此，对我们的工作而言，问题是：我们能用磁性材料做什么特殊的事情？”

在此前的相关研究中，磁自旋曾以一种称为Kittel模的集体运动与超导电路耦合。这种模式相对容易与超导电路耦合，但它并不天然允许信号仅沿一个方向传播。

在这篇最新论文中，研究团队能够让自旋波穿过薄膜，并以微波形式在超导电路中继续其旅程。这使该方法更适合可能构成未来量子技术一部分的紧凑型片上系统。

材料挑战非常重大。许多磁性材料能量损失太快，不适合这类应用，而问题可能出在衬底上——即磁性薄膜下方的物理平台。用于生长高质量YIG薄膜的常见衬底含有稀土金属，这些金属会在低温下吸收微波信号，从而消耗系统能量。研究团队发现，改用不含稀土金属的衬底后，该器件能够按预期工作。

“此前由于材料挑战，没有人成功做到这一点。现在我们已经证明这个平台可行，”Li说。

这一成果连接了两个活跃的研究领域：自旋波磁子学和超导量子电路。前者探索材料科学中的基础物理；后者侧重于面向信息处理的微波工程。研究人员将其视为拓展量子信息科学基础科学的一种有前景的方式。

“这是一个新领域，一个新兴领域，正在吸引全世界的关注，”Novosad说。“我们将这一成果视为与量子信息科学相关的混合系统光明未来的一部分。”

超导谐振器的制造在纳米材料中心完成，该中心是阿贡的美国能源部科学办公室用户设施。

与Li、Novosad和Hoffmann共同撰写论文的作者包括：阿贡的Tomas Polakovic、Ralu Divan、Ulrich Welp和Charudatta Phatak；U. of I.的Jinho Lim、Xingzhi Wang和Jian-Min Zuo；Carthage College的Carissa Kiehl；韩国科学技术院的Kab-Jin Kim和Moojune Song；以及韩国忠南大学的Phuoc Cao Van和Jong-Ryul Jeong。