Tap på magneter for at holde støjen nede i kvanteinformation

Det amerikanske energiministerium (DOE) har for nylig finansieret både DOE's Argonne National Laboratory og University of Illinois Champaign-Urbana (UIUC) i et nyt projekt relateret til kvanteinformationsvidenskab. Argonne-teamet vil bringe sin ekspertise i at koble superledende og magnetiske systemer til projektet. UIUC-teamet vil bidrage med sine evner i verdensklasse til at udvikle nye magnetiske materialer til kvantesystemer.

"Kvanteinformationsvidenskab lover nye og anderledes måder, hvorpå forskere kan behandle og manipulere information til sansning, dataoverførsel og databehandling, " sagde Valentine Novosad, seniorforsker i Argonnes Materials Science-afdeling. "UIUC er en perfekt partner for os til at realisere banebrydende opdagelser på dette område."

I det nye felt inden for kvanteinformationsvidenskab, mikrobølger kan spille en fundamental rolle, fordi deres fysiske egenskaber gør dem i stand til at give den ønskede kvantefunktionalitet ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt (minus 460 grader Fahrenheit) - en nødvendighed, fordi varme skaber fejl i kvanteoperationer. Imidlertid, mikrobølger er modtagelige for støj, som er uønsket energi, der forstyrrer signal- og datatransmission.

Forskerholdet vil undersøge, om magnoner kan samarbejde med mikrobølgefotoner for at sikre, at mikrobølger kun kan rejse i én retning, derved i det væsentlige eliminere støj. Magnoner er de grundlæggende excitationer af magneter. Derimod mikrobølgefotoner er resultatet af elektroniske excitationer, der producerer bølger som dem i en mikrobølgeovn.

Argonne-forskerne vil bygge videre på deres tidligere bestræbelser på at skabe et superledende kredsløb integreret med magnetiske elementer. Magnonerne og fotonerne taler med hinanden gennem denne superledende enhed. Superledning - det fuldstændige fravær af elektrisk modstand - muliggør kobling af magnoner og mikrobølgefotoner ved næsten det absolutte nulpunkt.

"Denne evne giver unikke muligheder for at manipulere kvanteinformation, " forklarede Yi Li, en postdoc ansat i Argonnes Materials Science-afdeling.

I fortiden, Argonne har spillet store roller i udviklingen af ​​superledende detektorer og sensorer til at forstå universets virkemåde på det mest fundamentale niveau. "Vi vil drage fordel af den værdifulde viden opnået i disse meget vellykkede projekter inden for kosmologi og partikelfysik, " sagde Novosad.

UIUC-forskerne vil lede efter magneter, der virker ved ultrakolde temperaturer. De vil teste kendte og nye materialesystemer for at finde kandidater, der kan håndtere et ultrakoldt miljø og operere i en rigtig kvanteenhed.

"Mange magneter fungerer godt med mikrobølger ved stuetemperatur," sagde Axel Hoffmann, Grundlægger professor i ingeniørvidenskab ved UIUC og leder af dette projekt. "Vi har brug for materialer, der også fungerer godt ved meget lavere temperaturer, som helt kan ændre deres egenskaber."

"Hvis vi får succes inden for disse tre år, vi vil have magnetiske strukturer direkte integreret med kvantekredsløb, " sagde Hoffmann. "Dette arbejde kunne også gælde for ikke-kvante enheder til sansning og kommunikation, såsom i Wi-Fi- eller Bluetooth-teknologier."

Dette nye projekt er endnu et eksempel på, hvordan Argonne og UIUC leder vejen mod en kvantefremtid. Argonne udfører ikke kun tværfaglig forskning inden for sin store portefølje af QIS-projekter, men leder også Q-NEXT, et af fem QIS-forskningscentre DOE etableret i august 2020. Tilsvarende UIUC understøtter en bred vifte af kvanteinformationsprojekter, såsom Q-NEXT, gennem Illinois Quantum Information Science and Technology (IQUIST) Center.