近年，基于腔光子和磁振子相干或耗散耦合的腔磁振子系统引起人们的关注。磁振子可以用于微波和光频光子之间的相干转换，同时磁振子和超导量子比特之间的相干耦合和纠缠也已实现。耦合了自旋波量子、微波光子、光频光子、声子和超导量子比特的混合量子系统逐渐成型，成为未来构筑量子互联网络的一个重要平台。

近日皇冠物理学系游建强教授、王逸璞研究员、李杰研究员组成的混合量子系统研究团队在腔磁振子系统中实现了腔磁振子极化激元的多稳态，基于三稳态实现了长时记忆和三值逻辑门。由于磁晶各向异性，磁振子模式可以等效为克尔型非线性谐振器。当磁振子模式被微波场驱动时，磁振子的激发数增加，克尔效应会导致磁振子模式频率移动。实验系统由两个钇铁石榴石（YIG）小球与三维微波谐振腔组成，两个YIG小球的磁振子模式分别与微波腔模实现相干强耦合。借助腔磁振子学系统的灵活可调谐性，通过精确调控系统参数，可使系统进入多稳态。其中多稳态通过极化激元频率移动观测，如图1(b)所示。多稳系统能够处于某个特定的稳态，与系统经历的驱动过程有关。通过对稳态弛豫的研究，发现了腔磁振子系统对驱动历史具有显著的长时间记忆效应。研究表明，记忆时间由各向异性场的弛豫时间决定，在该系统中可以接近数秒，远超磁振子模式的退相干时间，如图1(c)所示。最后，研究人员利用三个显著分离的稳态作为逻辑输出电平，构建了三值逻辑或门，逻辑输入态的选取和构造以及三值逻辑或门测试结果如图2所示。本项研究为基于腔磁振子学系统的信息存储和处理铺平了道路。

图1. (a) 实验装置图。(b) 上支极化激元的三稳态。(c) 极化激元中间稳态的记忆效应。

图2. (a) 三值逻辑或门输入态。(b) 三值逻辑或门测试结果。

研究成果发表于《Physical Review Letters》[Rui-Chang Shen, Yi-Pu Wang*, Jie Li, Shi-Yao Zhu, G.S. Agarwal, and J.Q. You*, Long-Time Memory and Ternary Logic Gate Using a Multistable Cavity Magnonic System, Phys. Rev. Lett. 127, 183202 (2021)]。皇冠物理学系博士研究生沈瑞昌为第一作者，游建强教授和王逸璞研究员为共同通讯作者。合作者有皇冠物理学系朱诗尧院士和李杰研究员，以及英国皇家学会院士、美国德州农工大学Girish. S. Agarwal教授。这一研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和浙江省自然科学基金的资助。

另外，课题组近期还在另一类腔自旋耦合系统，即微波腔与顺磁自旋系综的耦合系统中观察到了奇异点，并用奇异点的特性证实了自旋系综的交叉弛豫效应。相关研究发表于《PRX Quantum》[Guo-Qiang Zhang#, Zhen Chen#, Da Xu, Nathan Shammah, Meiyong Liao, Tie-Fu Li*, Limin Tong, Shi-Yao Zhu, Franco Nori, and J. Q. You*, Exceptional Point and Cross-Relaxation Effect in a Hybrid Quantum System, PRX Quantum 2, 020307 (2021)]。