Små magneter kan rumme hemmeligheden bag nye kvantecomputere

Magnetiske interaktioner kan pege på miniaturiserbare kvanteanordninger.

Fra MRI maskiner til computerharddisklagring har magnetisme spillet en rolle i afgørende opdagelser, der omformer vores samfund. I det nye felt inden for kvanteberegning kan magnetiske interaktioner spille en rolle i videregivelse af kvanteinformation.

I ny forskning fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har forskere opnået effektiv kvantekobling mellem to fjerne magnetiske enheder, som kan være vært for en bestemt type magnetiske excitationer kaldet magnoner. Disse excitationer sker, når en elektrisk strøm genererer et magnetfelt. Kobling tillader magnoner at udveksle energi og information. Denne form for kobling kan være nyttig til at skabe nye kvanteinformationsteknologiske enheder.

"Fjernkobling af magnoner er det første skridt, eller næsten en forudsætning, for at udføre kvantearbejde med magnetiske systemer," sagde Argonne seniorforsker Valentine Novosad, en forfatter til undersøgelsen. "Vi viser evnen for disse magnoner til at kommunikere øjeblikkeligt med hinanden på afstand."

Denne øjeblikkelige kommunikation kræver ikke at sende en besked mellem magnoner begrænset af lysets hastighed. Det er analogt med det, fysikere kalder kvantesammenfiltring.

I forlængelse af en undersøgelse fra 2019 forsøgte forskerne at skabe et system, der ville tillade magnetiske excitationer at tale med hinanden på afstand i et superledende kredsløb. Dette ville give magnonerne mulighed for potentielt at danne grundlaget for en type kvantecomputer. For det grundlæggende grundlag for en levedygtig kvantecomputer har forskere brug for, at partiklerne kobles og forbliver koblede i lang tid.

For at opnå en stærk koblingseffekt har forskere bygget et superledende kredsløb og brugt to små yttriumjerngranat (YIG) magnetiske kugler indlejret i kredsløbet. Dette materiale, som understøtter magnoniske excitationer, sikrer en effektiv kobling med lavt tab for de magnetiske kugler.

De to sfærer er begge magnetisk koblet til en delt superledende resonator i kredsløbet, der fungerer som en telefonlinje for at skabe stærk kobling mellem de to sfærer, selv når de er næsten en centimeter væk fra hinanden - 30 gange afstanden til deres diametre.

"Dette er en betydelig præstation," sagde Argonne materialeforsker Yi Li, hovedforfatter af undersøgelsen. "Lignende effekter kan også observeres mellem magnoner og superledende resonatorer, men denne gang gjorde vi det mellem to magnonresonatorer uden direkte interaktion. Koblingen kommer fra indirekte interaktion mellem de to sfærer og den delte superledende resonator."

En yderligere forbedring i forhold til 2019-undersøgelsen involverede den længere sammenhæng mellem magnonerne i den magnetiske resonator. "Hvis du taler i en hule, kan du høre et ekko," sagde Novosad. "Jo længere det ekko varer, jo længere er sammenhængen."

"Før så vi bestemt et forhold mellem magnoner og en superledende resonator, men i denne undersøgelse er deres kohærenstider meget længere på grund af brugen af ​​sfærerne, hvilket er grunden til, at vi kan se tegn på adskilte magnoner, der taler med hinanden," Li Li. tilføjet.

Ifølge Li, fordi de magnetiske spins er meget koncentreret i enheden, kunne undersøgelsen pege på miniaturiserbare kvanteenheder. "Det er muligt, at små magneter kan rumme hemmeligheden bag nye kvantecomputere," sagde han.

De magnoniske enheder blev fremstillet på Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science-brugerfacilitet.

Et papir baseret på undersøgelsen blev offentliggjort i Physical Review Letters . + Udforsk yderligere

Forskere kobler magnetisering til superledning til kvanteopdagelser