Kvantesnak med magnetiske diske

Kvantecomputere lover at tackle nogle af de mest udfordrende problemer, som menneskeheden står over for i dag. Mens megen opmærksomhed har været rettet mod beregning af kvanteinformation, er transduktion af information inden for kvantenetværk lige så afgørende for at materialisere potentialet i denne nye teknologi.

For at imødekomme dette behov introducerer et forskerhold ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) nu en ny tilgang til transducering af kvanteinformation. Holdet har manipuleret kvantebits, såkaldte qubits, ved at udnytte magnetfeltet fra magnoner - bølgelignende excitationer i et magnetisk materiale - der forekommer i mikroskopiske magnetiske diske. Forskerne har præsenteret deres resultater i tidsskriftet Science Advances .

Konstruktionen af ​​en programmerbar, universel kvantecomputer står som en af ​​vor tids mest udfordrende ingeniørmæssige og videnskabelige bestræbelser. Realiseringen af ​​en sådan computer rummer et stort potentiale for forskellige industriområder som logistik, finans og medicin. Konstruktionen af ​​en praktisk kvantecomputer er imidlertid blevet hindret af den iboende skrøbelighed af, hvordan informationen lagres og behandles i denne teknologi. Kvanteinformation er kodet i qubits, som er ekstremt modtagelige for støjen i deres omgivelser. Små termiske udsving, en brøkdel af en grad, kan fuldstændig forstyrre beregningen.

Dette har fået forskere til at fordele kvantecomputeres funktionaliteter mellem forskellige separate byggeklodser i et forsøg på at reducere fejlfrekvenser og udnytte komplementære fordele fra deres bestanddele.

"Dette rejser imidlertid problemet med at overføre kvanteinformationen mellem modulerne på en måde, så informationen ikke forsvinder," siger HZDR-forsker Mauricio Bejarano, førsteforfatter til publikationen. "Vores forskning ligger netop i denne specifikke niche, der transducerer kommunikation mellem forskellige kvantemoduler."

Den i øjeblikket etablerede metode til at overføre kvanteinformation og adressering af qubits er gennem mikrobølgeantenner. Dette er den tilgang, som Google og IBM bruger i deres superledende chips, den teknologiske platform, der står forrest i dette kvanteløb.

"Vi på den anden side adresserer qubits med magnoner," siger HZDR-fysiker Helmut Schultheiss, der overvågede arbejdet. "Disse kan opfattes som magnetiske excitationsbølger, der passerer gennem et magnetisk materiale. Fordelen her er, at bølgelængden af ​​magnoner ligger i mikrometerområdet og er væsentligt kortere end centimeterbølgerne fra konventionel mikrobølgeteknologi. Følgelig er mikrobølgefodaftrykket på magnoner koster mindre plads i chippen."

Sofistikeret frekvensdeler

HZDR-gruppen undersøgte samspillet mellem magnoner og qubits dannet af ledige pladser af siliciumatomer i krystalstrukturen af ​​siliciumcarbid, et materiale, der almindeligvis anvendes i højeffektelektronik. Sådanne typer qubits kaldes typisk spin-qubits, da kvanteinformationen er kodet i den ledige stillings spin-tilstand. Men hvordan kan magnoner bruges til at kontrollere disse typer qubits?

"Typisk genereres magnoner med mikrobølgeantenner. Dette udgør det problem, at det er meget vanskeligt at adskille mikrobølgedrevet, der kommer fra antennen, fra det, der kommer fra magnonerne," forklarer Bejarano.

For at isolere mikrobølgerne fra magnonerne brugte HZDR-teamet et eksotisk magnetisk fænomen, der kan observeres i mikroskopiske magnetiske skiver af en nikkel-jernlegering.

"På grund af en ikke-lineær proces har nogle magnoner inde i disken en meget lavere frekvens end antennens drivfrekvens. Vi manipulerer kun qubits med disse lavfrekvente magnoner," siger forskningen.

Forskerholdet understreger, at de ikke har udført nogen kvanteberegninger endnu. De viste dog, at det grundlæggende er muligt at adressere qubits udelukkende med magnoner.

Udnyttelse af magnon-kraft

"Til dato har kvanteingeniørsamfundet endnu ikke indset, at magnoner kan bruges til at kontrollere qubits," understreger Schultheiss. "Men vores eksperimenter viser, at disse magnetiske bølger faktisk kunne være nyttige."

For at videreudvikle deres tilgang er teamet allerede ved at forberede deres fremtidige planer:De ønsker at forsøge at kontrollere flere tæt fordelte individuelle qubits på en sådan måde, at magnoner formidler deres sammenfiltringsproces - en forudsætning for at udføre kvanteberegninger.

Deres vision er, at magnoner på lang sigt kunne exciteres af jævnstrøm med en sådan præcision, at de specifikt og udelukkende adresserer en enkelt qubit i en række qubits. Dette ville gøre det muligt at bruge magnoner som en programmerbar kvantebus til at adressere qubits på en ekstremt effektiv måde. Selvom der er masser af arbejde forude, fremhæver gruppens forskning, at kombination af magnoniske systemer med kvanteteknologier kan give nyttig indsigt til udviklingen af ​​en praktisk kvantecomputer i fremtiden.

Flere oplysninger: Mauricio Bejarano et al., Parametrisk magnon-transduktion til spin-qubits, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi2042. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2042

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres