Forskere kobler magnetisering til superledning til kvanteopdagelser

Quantum computing lover at revolutionere den måde, hvorpå forskere kan behandle og manipulere information. Det fysiske og materielle grundlag for kvanteteknologier er stadig ved at blive udforsket, og forskere fortsætter med at lede efter nye måder, hvorpå information kan manipuleres og udveksles på kvanteniveau.

I en nylig undersøgelse, forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har skabt et miniaturiseret chip-baseret superledende kredsløb, der kobler kvantebølger af magnetiske spins kaldet magnoner til fotoner med tilsvarende energi. Gennem udviklingen af ​​denne "på chip" tilgang, der kombinerer magnetisme og superledning til manipulation af kvanteinformation, denne grundlæggende opdagelse kan være med til at lægge grundlaget for fremtidige fremskridt inden for kvanteberegning.

Magnoner opstår i magnetisk ordnede systemer som excitationer i et magnetisk materiale, der forårsager en oscillation af magnetiseringsretningerne ved hvert atom i materialet - et fænomen kaldet en spinbølge. "Du kan tænke på det som at have en række kompasnåle, der alle er magnetisk forbundet med hinanden, " sagde Argonne-materialeforsker Valentine Novosad, en forfatter til undersøgelsen. "Hvis du sparker en i en bestemt retning, det vil forårsage en bølge, der forplanter sig gennem resten."

Ligesom fotoner af lys kan opfattes som både bølger og partikler, det kan magnoner også. "Den elektromagnetiske bølge repræsenteret af en foton svarer til spinbølgen repræsenteret af en magnon - de to er analoger af hinanden, " sagde Argonne postdoc-forsker Yi Li, en anden forfatter til undersøgelsen.

Fordi fotoner og magnoner deler et så tæt forhold til hinanden, og begge indeholder en magnetisk feltkomponent, Argonne-forskerne søgte en måde at koble de to sammen på. Magnonerne og fotonerne "taler" med hinanden gennem et superledende mikrobølgehulrum, som bærer mikrobølgefotoner med en energi, der er identisk med energien fra magnoner i de magnetiske systemer, der kunne parres med den.

Brug af en superledende resonator med en koplanar geometri viste sig effektiv, fordi det gjorde det muligt for forskerne at transmittere en mikrobølgestrøm med lavt tab. Derudover det gav dem også mulighed for bekvemt at definere frekvensen af ​​fotoner til kobling til magnonerne.

"Ved at parre den rigtige længde af resonator med den rigtige energi af vores magnoner og fotoner, vi skaber i bund og grund en slags ekkokammer for energi og kvanteinformation, " sagde Novosad. "Excitationerne forbliver i resonatoren i meget længere tid, og når det kommer til at lave kvanteberegning, det er de dyrebare øjeblikke, hvor vi kan udføre operationer."

Fordi dimensionerne af resonatoren bestemmer frekvensen af ​​mikrobølgefotonen, magnetiske felter er nødvendige for at tune magnonen til at matche den.

"Du kan tænke på det som at stemme en guitar eller en violin, " sagde Novosad. "Længden af ​​din streng - i dette tilfælde, vores resonator af fotoner - er fast. Uafhængigt, for magnonerne, vi kan tune instrumentet ved at justere det påførte magnetfelt, hvilket svarer til at ændre mængden af ​​spænding på strengen."

Ultimativt, Li sagde, kombinationen af ​​et superledende og et magnetisk system giver mulighed for præcis kobling og afkobling af magnon og foton, præsentere muligheder for at manipulere kvanteinformation.

Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science brugerfacilitet, blev brugt til litografisk behandling af resonatoren.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Stærk kobling mellem magnoner og mikrobølgefotoner i on-chip ferromagnet-superleder tyndfilmenheder, " optrådte i 3. september-udgaven af Fysisk gennemgangsbreve og blev også fremhævet i Redaktørens forslag.