Магнетизм и сверхпроводимость для квантовых компьютеров

Квантовые вычисления обещают революционизировать способы, которыми ученые могут обрабатывать и оперировать информацией. Физические и материальные основы квантовых технологий все еще изучаются, и исследователи продолжают искать новые способы манипулирования информацией и ее обмена на квантовом уровне.

В недавнем исследовании ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США создали миниатюрную сверхпроводящую схему на основе микросхемы, которая связывает квантовые волны магнитных спинов, называемых магнонами, с фотонами эквивалентной энергии.

Благодаря разработке этого подхода «на кристалле», который сочетает в себе магнетизм и сверхпроводимость для управления квантовой информацией, это фундаментальное открытие может помочь заложить основу для будущих достижений в квантовых вычислениях.

Магноны возникают в магнитоупорядоченных системах как возбуждения внутри магнитного материала, которые вызывают колебания направлений намагничивания у каждого атома в материале — явление, называемое спиновой волной.

«Вы можете думать об этом, как о наличии множества игл компаса, которые все магнитно связаны между собой», — говорят исследователи. «Если вы ударите по одному в определенном направлении, это вызовет волну, которая распространяется через остальных».

Магноны могут рассматриваться так же, как фотоны света — как волны и частицы. «Электромагнитная волна, представленная фотоном, эквивалентна спиновой волне, представленной магноном, — они являются аналогами друг друга».

Поскольку фотоны и магноны имеют такие близкие отношения друг с другом, и оба содержат компонент магнитного поля, ученые искали способ соединить их вместе. Магноны и фотоны «общаются» друг с другом через сверхпроводящий микроволновый резонатор, который переносит микроволновые фотоны с энергией, идентичной энергии магнонов в магнитных системах, которые могут быть связаны с ним.

Использование сверхпроводящего резонатора с копланарной геометрией оказалось эффективным, поскольку оно позволило исследователям передавать микроволновый ток с низкими потерями. Кроме того, это также позволило им определить частоту фотонов для связи с магнонами.

«Сопрягая правильную длину резонатора с правильной энергией наших магнонов и фотонов, мы по сути создаем своего рода эхо-камеру для энергии и квантовой информации. Возбуждения остаются в резонаторе гораздо дольше, и когда речь идет о квантовых вычислениях, это те драгоценные моменты, в течение которых мы можем выполнять операции».

Поскольку размеры резонатора определяют частоту микроволнового фотона, магнитные поля необходимы для настройки магнона для его согласования.

«Вы можете думать об этом как о настройке гитары или скрипки», — говорят исследователи. «Длина вашей струны — в данном случае наш резонатор фотонов — фиксирована. Независимо от магнонов мы можем настроить инструмент, отрегулировав приложенное магнитное поле, что аналогично изменению величины натяжения струны».

В конечном счете, комбинация сверхпроводящей и магнитной систем обеспечивает точное соединение и разделение магнона и фотона, предоставляя возможности для управления квантовой информацией.

Yi Li et al. Strong Coupling between Magnons and Microwave Photons in On-Chip Ferromagnet-Superconductor Thin-Film Devices, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.107701