近日，物理学顶尖期刊Physical Review Letters（PRL）第125期背靠背发表了重点实验室两位青年教师周原博士、周望怀博士参与的两项科研工作。

周原博士参与的科研论文题为《Enhancing Spin-Phonon and Spin-Spin Interactions Using Linear Resources in a Hybrid Quantum System》。论文的主题是量子信息处理和量子模拟。近年来，随着纳米加工技术的蓬勃发展，以机械和力学为主角的声学量子器件凭借其诸多内禀优势已经成为量子前沿研究的宠儿。相较于传统的电磁手段，利用机械模式在单量子水平调控电子自旋具备更多优势。然而，基于自旋-机械耦合体系来实现规模化的量子模拟和调控在当前面临的主要困境就是单量子水平的自旋-声子以及自旋-自旋的耦合强度不足。在该论文中，研究团队利用压缩参量放大的物理思想且不使用任何非线性资源，仅仅通过调控悬臂梁机械振子的弹性系数来实现机械振幅的放大，从而实现了指数倍地放大自旋-声子的相干耦合强度的目标。考虑实际环境，尽管系统的耗散和退相干等不利因素客观存在，本方案仍然可以以极高的保真度来实现对单个或者多个电子自旋的相干操控。该研究为机械与自旋相互作用领域提供了一个普适的方案，它可以被应用于各种声子-自旋耦合体系中。该论文的第一作者及通讯作者均是西安交通大学李蓬勃教授。周原博士为第二署名作者，论文的主要工作由他在博士期间完成。新加坡南洋理工大学数理科学院的高炜博教授，日本理化研究所的Franco Nori（野理）教授参与了该项工作。

周望怀博士参与的科研论文题为《Resolution of Gauge Ambiguities in Molecular Cavity Quantum Electrodynamics》。论文主题是量子电动力学。量子电动力学作为最精确的量子理论，可以在不引入任何经验参数的情况下，精确求解兰姆位移（Lamb shift）和自由电子的g因子。然而在研究光和物质的相互作用时，我们常常采用非相对论性的最小耦合（minimal coupling）模型，即电磁场的矢势与粒子的动量耦合在一起，这种模型称为速度规范(velocity gauge)。通过引入幺正的规范变换，可以把矢势消除，多出来一项与电磁场的标势有关的项，即电场与粒子的偶极子相互作用，这种模型称为长度规范（length gauge）。人们很早就知道，两种等价的哈密顿量（由一个幺正变换相联的速度规范和长度规范）在计算粒子与电磁场中的相互作用时会得到不一样的结果，这种现象称为规范含糊（gauge ambiguity）。直到最近，才有另外一个研究小组提出，在截断希尔伯特空间的时候，粒子的位置算符和动量算符的对易性被破坏了，即在不完备基组下，势能项从局域变成了非局域的，由此造成了不完全的规范变换。受到上述工作的启发，该论文提出了在分子量子电动力学哈密顿量中，规范含糊是由于在截断希尔伯特空间时，所有的算符并没有被限制在相同的子空间中。并提出了新的规范变换，导出了新的速度规范哈密顿量，该哈密顿量能够保证在截断子空间中保持规范不变性，与长度规范计算出的结果相吻合。论文的第一作者是美国罗切斯特大学的Michael A. D. Taylor博士，罗切斯特大学霍鹏飞教授为论文的通讯作者。周望怀博士署名为第三作者，其在罗切斯特大学博士后研究期间作为主要成员参与了该项工作。

PRL是美国物理学会（APS）旗下的顶级国际期刊，代表了当前物理学研究的最前沿，属于中科院和JCR分区一区Top期刊。周望怀、周原两位博士均是我校光电信息材料与器件学科创新团队的骨干成员，也是重点实验室的科研骨干，近年来在高水平论文与科研项目上均有着较为突出的表现。