新しく発見された磁気的挙動は、次世代の量子デバイスにつながる可能性がある

米国エネルギー省（DOE）のArgonne National Laboratoryの科学者たちは、量子デバイスの新しい時代を切り開く可能性を持つ磁気的挙動を発見しました。研究チームは、2つの遠隔磁気デバイス間の量子結合を実現し、これらのデバイスは、電流によって磁場が生成されるときに発生する特定の種類の磁気励起であるマグノンをホストできます。磁気デバイスを結合することで、マグノンはエネルギーと情報を交換することができ、これは新しい量子技術デバイスの作成に使用できます。

研究は、Physical Review Lettersに掲載されました。

磁気と量子デバイスの進歩

この新しい発展は、MRIマシンやコンピューターハードディスクストレージなどの重要な発見を牽引してきた磁気の分野をさらに進めています。

バレンタイン・ノボサドは、Argonneのシニアサイエンティストであり、この研究の著者です。

「マグノンの遠隔結合は、磁気システムで量子作業を行うための第一歩、またはほぼ前提条件です」とノボサドは述べました。「マグノンが距離に関係なく瞬時に互いに通信できることを示しています」

この瞬間的な通信は、光速に制限されるマグノン間のメッセージの送信を必要とせずに行われることができます。

研究者たちは、2019年の研究を基にして、磁気励起が距離を超えて互いに通信できるシステムを開発しました。これは、マグノンが量子コンピュータの一種の基礎となる可能性があることを示唆しています。しかし、実用的な量子コンピュータを作るには、粒子が結合して長期間維持される必要があります。

強い結合効果の実現

研究チームは、強い結合効果を実現するために、超伝導回路を構築しました。彼らは、超伝導回路上に埋め込まれた2つの小さなイットリウム鉄ガーネット（YIG）磁気球を使用しました。この材料は、マグノン励起を支持し、マグネティック球に対して効率的で低損失の結合をもたらします。

研究者たちは、2つの球が共有する超伝導共振器を回路に磁気的に結合することで、わずか1センチメートルの距離でさえも2つの球間に強い結合を実現しました。

イー・リーは、Argonneの材料科学者であり、この研究のリード著者です。

「これは重大な成果です」とリーは述べました。「マグノンと超伝導共振器の間でも同様の効果が観察できますが、今回は直接的な相互作用がない2つのマグノン共振器の間で実現しました。結合は、2つの球と共有される超伝導共振器との間接的な相互作用から生じます」

2019年の研究と比較して、この新しい研究の1つの重要な進歩は、マグネティック共振器内のマグノンのコヒーレンスが長くなったことです。

「あなたが洞窟の中で話すと、エコーが聞こえるかもしれません」とノボサドは述べました。「そのエコーが長く続くほど、コヒーレンスは長くなります」

「以前は、マグノンと超伝導共振器の関係を確かに見ましたが、この研究では、マグノンのコヒーレンス時間が球の使用により大幅に長くなりました。したがって、分離されたマグノンが互いに通信する証拠を見ることができます」とリーは続けました。

リーは、この研究が、デバイス内の磁気スピンが非常に高濃度に集中しているため、ミニチュア化された量子デバイスにつながる可能性があると述べています。

「小さな磁石が新しい量子コンピュータの秘密を握っている可能性があります」とリーは結論付けました。