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Non-reciprocal and artificial Λ-type systems in waveguide QED with parametrically modulated superconducting qubits

Bing-Jie Chen(陈炳杰), Li Li(李力), Rui-Yang Gong(龚锐洋), Silu Zhao(赵思路), Shi Xiao(肖师), Xiaohui Song(宋小会), Zhongcheng Xiang(相忠诚), and Dongning Zheng(郑东宁)

Chin. Phys. B, 2026, Vol. 35(6): 064204  

文章亮点介绍

在量子网络和分布式量子计算中，基于一维开放传输线的波导量子电动力学（QED）架构提供了理想的硬件基础。然而，常见的超导transmon量子比特通常表现为阶梯型能级结构，缺乏构建具有相干操纵光子传输能力的Λ型三能级系统所需的亚稳态。同时，在量子网络中实现信号隔离和定向路由等高级功能通常需要打破洛伦兹互易性，传统方法往往依赖于引入磁光效应、时变调制或手性耦合。

为了解决上述难题，本文提出了一种结合参量调制技术和非局域波导耦合的新型波导QED系统。作者将两个空间分离且大失谐的超导transmon量子比特耦合到一维开放波导中，并仅对其中一个量子比特施加参量频率调制。本文的研究亮点包括：

(1) 通过参量调制补偿了量子比特间的能量失谐，成功构建了可调谐的相干通道，人工合成了一个Λ型三能级系统。研究表明，通过调节调制幅度，可以实现系统从电磁诱导透明（EIT）到奥特勒-汤斯劈裂（ATS）的光谱演化。(2) 利用波导传播引入的非局域相位因子φw作为额外自由度，通过其与系统耗散的相互作用，成功打破了系统的时间反演对称性。该系统实现了显著的非互易微波传输，最大非互易参数（隔离度）可达0.9999。(3) 该系统还能作为可调谐的定向量子发射器实现方向选择性的光子发射。当系统被初始化为理想的手性贝尔态时，展现出了近乎完美的单向定向发射能力，并几乎完全抑制了反向的光子泄漏。本方案仅通过与标准超导电路制造工艺兼容的参量调制技术即可运行，为实现片上集成量子路由器、隔离器以及微波光子开关提供了一条高效的新途径。

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Fig. 1. Schematic of the system architecture and energy levels. (a) Two spatially separated transmon qubits coupled to a 1D waveguide, with their interaction modulated by the propagation phase φ_w. (b) Diagram of the interaction between the probe field and the qubits, illustrating the definition of the local phase φ_j. (c) The effective Λ-type three-level system model in the rotating frame.

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Many-body multipole indices revealed by real-space dynamical mean-field theory

Guoao Yang(杨国骜), Jianhui Zhou(周建辉), and Tao Qin(秦涛)

Chin. Phys. B, 2026, 35(6):060301

文章亮点介绍

电极化及其推广的多极矩是表征拓扑绝缘体的电子结构和拓扑性质的基本物理量。近年来，随着高阶拓扑绝缘体研究的快速发展，量子化的电四极矩等多极矩指标逐渐成为甄别高阶拓扑相的关键判据。对于无相互作用电子体系，多极矩的计算可以通过推广的Resta公式、Wilson loop等方法实现。但在强关联电子体系中，电子间相互作用导致的多体基态波函数的复杂性、无序效应等会显著增加多极矩指标的计算难度。因此，发展一种适用于关联绝缘体的、可操作的多体多极矩计算方法，是当前高阶拓扑物态研究领域亟待解决的重要课题。

本文提出一种将实空间格林函数形式的多极矩公式与实空间动力学平均场理论相结合的计算方案。该方案把极化、四极矩等多极矩指标表示为实空间格林函数的矩阵对数形式，并通过实空间动力学平均场理论自洽求解关联电子体系的格林函数，无需直接构造多体基态波函数，即可实现关联电子体系多体多极矩的精准计算。由于整套理论框架构建于实空间表象下，该方法可天然适配空间非均匀体系，也为后续探究无序、准晶及非晶关联体系的多极矩拓扑特性奠定了重要的理论基础。

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Fig. 1. Flowchart to compute the many-body multipole indices with the real-space dynamical mean-field theory (R-DMFT) and the Green’s function formula for the multipole indices in the real-space. The R-DMFT is featured in Anderson impurities on every lattice site, selfconsistently dealt with impurity solver to obtain Σ_Ri(iω_n) on site R_i, and meanwhile, the hopping taken into account by (G₀^-1(iω_n))_RiRi’. The computation of the multipole indices takes place when the R-DMFT loop is convergent with the Weiss field 𝒢_0Ri (iω_n).

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Thermodynamic and real-time dynamic properties of complex Sachdev-Ye-Kitaev model

Sizheng Cao(曹思政), Xian-Hui Ge(葛先辉), and Yi-Cheng Rui(芮易成)

Chin. Phys. B, 2026, Vol. 35(6): 060512      

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Sachdev–Ye–Kitaev模型是研究强关联量子物质、量子混沌和全息对偶的重要理论平台。与由Majorana费米子构成的实SYK模型不同，复杂SYK模型具有守恒的U(1)荷自由度，因此可引入化学势来调控体系的粒子数分布和谱结构。此前研究表明，复杂SYK模型在化学势作用下可能发生有能隙相与无能隙相之间的转变，但这一相变与经典热力学相变之间的联系、化学势如何影响能级统计和实时动力学性质，仍需要更系统的研究。

本文系统研究了复杂Sachdev–Ye–Kitaev（complex SYK, cSYK）模型在有限化学势下的热力学性质、谱统计性质与实时动力学行为。研究发现，化学势可通过打破粒子-空穴对称性，驱动体系在低温有能隙相与高温无能隙强关联相之间发生一阶相变；该相变与经典范德瓦耳斯—麦克斯韦液气相变具有深刻类比。进一步的谱分析和实时动力学表明，模型在固定守恒荷扇区内呈现出显著的能级排斥和量子混沌特征，而化学势对不同荷扇区的重加权作用为理解有限尺寸强关联体系的谱统计提供了新的视角。实时数值计算进一步揭示了不同相中激发寿命和动力学响应的明显差异，说明cSYK模型不仅在热力学上具有丰富相结构，也为研究强关联量子系统的非平衡动力学行为提供了重要理论平台。

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Strain-enhanced optical gain of hexagonal Ge nanowire

Xue-Li Zhao(赵雪丽), Shan Guan(管闪), Zhigang Song(宋志刚), and Jun-Wei Luo(骆军委)

Chin. Phys. B, 2026, Vol. 35(6): 067303  

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硅基光源是实现片上光互连的核心瓶颈。III-V族异质集成虽可行，但不兼容标准CMOS工艺。六方相锗（2H-Ge）因具有直接带隙而被视为有前景的硅基发光材料，然而其理论预测的发光效率仍远低于III-V族半导体。相比于体材料，低维纳米线结构不仅可通过量子限域效应调控带隙，还具备更强的应变耐受性和可调性，为优化材料的发光性能提供了新途径。

本文采用经验赝势方法，系统研究了[0001]取向 2H-Ge 纳米线的电子结构与光增益特性。计算发现，2H-Ge 纳米线虽因量子限域效应可在 0.3–1.4 eV 的红外波段实现直径可调的带隙，但其带边光学跃迁本质上是“赝直接带隙”（导带底到价带顶的跃迁强度极弱）。然而，施加 3%‒4% 的单轴拉伸应变可诱导导带发生能级反转，使原本具有强光学跃迁强度的第二导带成为导带底，相应的光学增益可以得到超过两个数量级的提升，同时发射光的偏振切换为轴向。

本研究揭示了不同导带态对光学增益的决定性作用，并验证了应变工程在优化2H-Ge纳米线发光性能方面的有效性，为在硅基平台上实现高效、偏振可控的纳米光源提供了理论依据。

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Fig. 4. (a) Calculated band structure for a [0001]-oriented 2H-Ge NW with a diameter of d = 4 nm. The inset shows the atomistic model with passivating pseudoatoms omitted. (b) Strain-dependent energy evolution of conduction band states and (c) corresponding optical gain spectra for a d = 4.0 nm 2H-Ge NW under uniaxial strain εz along the [0001]-direction. All gain spectra are calculated at T = 300 K and ∆n is given in units of n₀ = 1×10¹⁸ cm⁻³.

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