Nowo odkryte zachowanie magnetyczne może doprowadzić do urządzeń kwantowych nowej generacji

Naukowcy z Departamentu Energii USA (DOE) w Argonne National Laboratory odkryli zachowanie magnetyczne, które mogłoby prowadzić do nowych urządzeń kwantowych. Zespół osiągnął sprzężenie kwantowe między dwoma odległymi urządzeniami magnetycznymi, które mogą przechowywać specyficzny typ wzbudzeń magnetycznych zwanych magnonami, które występują, gdy prąd elektryczny generuje pole magnetyczne. Poprzez sprzężenie tych urządzeń magnetycznych, magnony mogą wymieniać energię i informację, co mogłoby być wykorzystane do stworzenia nowych urządzeń techniki kwantowej.

Badanie zostało opublikowane w Physical Review Letters.

Postęp w magnetyzmie i urządzeniach kwantowych

Nowy rozwój prowadzi do przodu dziedzinę magnetyzmu, która była siłą napędową wielu ważnych odkryć, takich jak te dotyczące maszyn MRI i nośników danych twardych dysków.

Valentine Novosad jest starszym naukowcem w Argonne i autorem badania.

„Sprzężenie magnonów na odległość jest pierwszym krokiem, lub prawie wymogiem, do badań kwantowych z systemami magnetycznymi”, powiedział Novosad. „Pokazujemy możliwość, aby te magnony komunikowały się natychmiast ze sobą na odległość”.

Ta natychmiastowa komunikacja może nastąpić bez konieczności wysłania wiadomości między magnonami ograniczonej prędkością światła.

Naukowcy rozwinęli badania z 2019 roku, w których opracowali system, który umożliwiłby wzbudzeniom magnetycznym komunikowanie się na odległość w obwodzie nadprzewodnikowym, co mogłoby umożliwić magnonom stworzenie podstawy dla rodzaju komputera kwantowego. Jednakże taki wykonalny komputer kwantowy wymagałby, aby cząstki były sprzężone i pozostawały sprzężone przez długi czas.

Osiąganie Silnego Efektu Sprzężenia

Zespół postanowił osiągnąć ten silny efekt sprzężenia, budując obwód nadprzewodnikowy. Użyli dwóch małych kul magnetycznych z granatu itrowo-żelazowego (YIG) osadzonych w obwodzie. Materiał wspiera wzbudzenia magnonowe i daje wydajne sprzężenie o niewielkich stratach dla magnesów.

Naukowcy osiągnęli silne sprzężenie między dwiema sferami, nawet na odległości zaledwie centymetra, poprzez magnetyczne sprzężenie dwóch sfer z wspólnym nadprzewodnikowym rezonatorem w obwodzie.

Yi Li jest naukowcem materiałowym w Argonne i głównym autorem badania.

„To jest znaczące osiągnięcie”, powiedział Li. „Podobne efekty można również zaobserwować między magnonami a nadprzewodnikowymi rezonatorami, ale tym razem zrobiliśmy to między dwoma rezonatorami magnonowymi bez bezpośredniej interakcji. Sprzężenie pochodzi z pośredniej interakcji między dwiema sferami a wspólnym nadprzewodnikowym rezonatorem”.

Jednym z ważnych rozwojów nowego badania, w porównaniu z tym z 2019 roku, jest to, że była dłuższa koherencja magnonów w magnetycznym rezonatorze.

„Jeśli mówisz w jaskini, możesz usłyszeć echo”, powiedział Novosad. „Im dłużej echo trwa, tym dłużej koherencja”.

„Przedtem na pewno widzieliśmy związek między magnonami a nadprzewodnikowym rezonatorem, ale w tym badaniu ich czasy koherencji są znacznie dłuższe z powodu użycia sfer, dlatego możemy zobaczyć dowody oddzielonych magnonów rozmawiających ze sobą”, kontynuował Li.

Li mówi, że badanie mogłoby prowadzić do miniaturyzacji urządzeń kwantowych z powodu tak wysokiej koncentracji spinów magnetycznych w urządzeniu.

„Możliwe, że małe magnesy mogą ukrywać sekret nowych komputerów kwantowych”, zakończył Li.