Producerer dissipativ kobling i hybride kvantesystemer

Da kvanteobjekter er modtagelige for deres omgivende miljø, kvantekohærens og kvantetilstande kan let ødelægges på grund af påvirkningen af ​​eksterne signaler, som kan omfatte termisk støj og tilbagespredte signaler i målekredsløbet. Forskere har således forsøgt at udvikle teknikker til at muliggøre ikke-gensidig signaludbredelse, som kunne hjælpe med at blokere de uønskede virkninger af baglæns støj.

I en nylig undersøgelse, medlemmer af den dynamiske spintronik-gruppe ved University of Manitoba i Canada har foreslået en ny metode til at producere dissipativ kobling i hybride kvantesystemer. Deres teknik, præsenteret i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , muliggør ikke-gensidig signaludbredelse med et betydeligt isolationsforhold og fleksibel styring.

"Vores seneste arbejde med ikke-gensidighed i hulrumsmagnonic er baseret på et forskningsområde, der kombinerer hulrumsspintronik og hybride kvantesystemer, som lover at bygge nye kvanteinformationsbehandlingsplatforme, "Yi-Pu Wang, en postdoc-forsker ved University of Manitoba, der var involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org.

I løbet af de sidste par årtier, undersøgelser inden for kvanteteknologi har hovedsageligt udforsket mekanismer for sammenhængende kobling mellem delsystemer, da dissipative koblingsmekanismer endnu ikke var blevet overvejet bredt og brugt i hybride kvantesystemer. Sidste år, imidlertid, det samme team af forskere ved University of Manitoba afslørede en spændende ny type dissipativ magnon-foton-kobling.

"Denne opdagelse gav os straks en masse inspiration, fordi dissipativ kobling kan bruges til at bryde tids-inversionssymmetri på grund af dens iboende dissipative egenskaber, " sagde Wang. "Dette drev os til at skabe systemer, der kombinerer dissipative og sammenhængende koblingseffekter for at opnå ikke-gensidige egenskaber."

I deres nye undersøgelse, Wang og hans kolleger satte sig for at udvikle en enhed med høj isolering og lave indsættelsestab i det lineære regime, da disse egenskaber kunne hjælpe udviklingen af ​​kvanteinformationsteknologier. Enheden, de skabte, har to nøglekomponenter:et plant krydsformet mikrobølgekredsløb og en lille yttriumjerngranat (YIG) kugle.

"Vores enhed fungerer på samme måde som en mikrobølgediode, som tillader mikrobølger ved bestemte konstruerede arbejdsfrekvenser at udbrede sig i kun én retning, "Jinwei Rao, en ph.d. studerende ved University of Manitoba, som var involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det plane krydskredsløb var specielt designet til at understøtte dannelsen af ​​stående bølger og tillade vandrende bølger at flyde over det."

Ved at placere YIG-sfæren oven på mikrobølgekredsløbet, forskerne var i stand til at fremkalde samarbejdsinteraktioner mellem de omrejsende bølger, stående bølger, og magnetiske spins. Disse interaktioner gør det muligt at opretholde både kohærente og dissipative koblingseffekter over tid.

Wang, Rao og deres kolleger observerede, at den relative fase mellem disse koblingseffekter er afhængig af udbredelsesretningen af ​​input-mikrobølgesignalet. Bemærkelsesværdigt, i hulrummets magnoniske system de udviklede, dette mikrobølgesignal producerer ikke-gensidighed og ensrettet usynlighed.

Forskerne udviklede også en simpel model, der skitserer og fanger den generelle fysik bag interferensen mellem kohærent og dissipativ kobling. De fandt ud af, at denne model nøjagtigt beskrev observationer samlet over en bred vifte af parametre.

"Vores model er beskrevet af en ikke-ermitisk Hamiltonianer, hvor koblingsstyrken mellem foton- og magnon-excitationerne er et komplekst tal, " Wang forklarede. "Den reelle del af denne koblingsstyrke repræsenterer de sammenhængende koblingseffekter, og den imaginære del repræsenterer dissipative koblingseffekter."

Den model, som forskerne har foreslået, antyder, at sammenhængende kobling er noget magen til samspillet mellem to mekaniske penduler forbundet med elastiske fjedre. Dissipativ kobling, på den anden side, ligner samspillet mellem to pendler forbundet med en støddæmper, hvilket introducerer en friktion, der igen fører til spredning af energi.

I den ikke-gensidige enhed skabt af Wang, Rao og deres kolleger den relative fase mellem virkningerne af kohærent og dissipativ kobling beskrives som et fasebegreb. Dette faseudtryk er tæt forbundet med indlæsningskonfigurationen af ​​indgangsmikrobølgesignalet.

"Interferenseffekterne svarer altid til rollen som krydsudtryk, " sagde Wang. "Som regel, interferenseffekten mellem A og B afspejles i det matematiske led af A ganget med B, som kan komme fra kvadratet af (A±B). Krydsleddet for de kohærente og dissipative koblinger stammer fra kvadratleddet for den komplekse koblingsstyrke, der vises i transmissionskoefficienten."

Undersøgelsen er blandt de første til at introducere en metode til at producere dissipativ kobling i hulrumsmagnonic-systemer. Ved at bruge denne nye metode, forskerne var i stand til at opnå ikke-gensidighed i et koblet system, på en måde, der også kunne udvides til kobling i andre fysiske systemer eller ved forskellige frekvensområder.

Da samspillet mellem kohærent og dissipativ kobling menes at være et ret almindeligt fænomen i koblede systemer, den tilgang, som forskerne introducerede, kunne inspirere til yderligere forskning inden for andre områder af fysikken. I øvrigt, selvom den enhed, de udviklede, er ret enkel, de fandt ud af, at den indeholdt og demonstrerede nye og elegante fysikeffekter.

"Før dette, sammenhængende kobling var et varmt forskningsområde, selvom dissipativ kobling også blev undersøgt af nogle fysikere på udvalgte områder, " sagde Wang. "Men, disse former for kobling blev generelt undersøgt uafhængigt, da de blev anset for at kontrollere deres egne unikke fysiske love. Vi fandt ud af, at når disse to former for kobling kombineres i det samme system, finder en usædvanlig reaktion sted, med vores eksperiment, der for første gang systematisk demonstrerer de ejendommelige fysiske fænomener, der opstår i hulrumsmagnonic-systemet."

Det nylige arbejde udført af det dynamiske spintronics-team ved University of Manitoba åbner en ny vej for udviklingen af ​​kvanteteknologi, ved at skitsere dynamikken i dissipativ foton-magnon-kobling i hybride kvantesystemer. Den ikke-gensidige fysikdynamik, der er skitseret af deres model, kunne i sidste ende informere designet af forskellige funktionelle mikrobølgeenheder med mange mulige anvendelser, inklusive isolatorer, cirkulationspumper, sensorer og switchere.

"Som et første skridt, vores gruppe er nu fokuseret på at opfinde en miniaturiseret bærbar mikrobølgeisolator, der kan overgå den tekniske ydeevne af kommercielt tilgængelige produkter, "Dr. Can-Ming Hu, lederen af ​​den dynamiske spintronics gruppe ved University of Manitoba, fortalte Phys.org. "Sådan en enhed er stærkt efterspurgt af det internationale samfund, der udvikler kvanteinformationsteknologier, hvorpå den canadiske regering, sammen med USA, Storbritannien, Japan, og Kina, investerer kraftigt. Fremtiden er meget lys for fortsat forskning på denne nye vej for Cavity Spintronics."

© 2019 Science X Network