Недавно обнаруженное магнитное поведение может привести к квантовым устройствам следующего поколения

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили магнитное поведение, которое может привести к созданию новых квантовых устройств. Команда достигла квантовой связи между двумя удаленными магнитными устройствами, которые могут содержать определенный тип магнитных возбуждений, называемых магнонами, которые возникают, когда электрический ток генерирует магнитное поле. Связывая эти магнитные устройства, магноны могут обмениваться энергией и информацией, которые можно использовать для создания новых устройств квантовых технологий. 

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters,. 

Развитие магнетизма и квантовых устройств

Новая разработка развивает область магнетизма, которая была движущей силой многих важных открытий, например, связанных с аппаратами МРТ и компьютерными накопителями на жестких дисках. 

Валентин Новосад — старший научный сотрудник Аргонны и автор исследования. 

«Дистанционная связь магнонов — это первый шаг или почти необходимое условие для выполнения квантовой работы с магнитными системами», — сказал Новосад. «Мы показываем способность этих магнонов мгновенно общаться друг с другом на расстоянии». 

Эта мгновенная связь может иметь место, не требуя отправки сообщения между магнонами, ограниченными скоростью света. 

Исследователи опирались на исследование 2019 года, в котором они разработали систему, которая позволяла бы магнитным возбуждениям взаимодействовать друг с другом на расстоянии в сверхпроводящей цепи, что могло бы позволить магнонам стать основой типа квантового компьютера. Однако такой жизнеспособный квантовый компьютер потребовал бы, чтобы частицы были связаны и оставались связанными в течение длительного периода времени. 

Достижение сильного эффекта связи

Команда решила добиться этого сильного эффекта связи, создав сверхпроводящую цепь. Они использовали две маленькие магнитные сферы из железо-иттриевого граната (ЖИГ), встроенные в схему. Материал поддерживает магнонное возбуждение и обеспечивает эффективную связь с малыми потерями для магнитных сфер. 

Исследователи добились сильной связи между двумя сферами, даже на расстоянии всего в сантиметр, путем магнитного соединения двух сфер с общим сверхпроводящим резонатором в цепи. 

Йи Ли — материаловед из Аргонны и ведущий автор исследования. 

«Это значительное достижение, — сказал Ли. «Подобные эффекты также можно наблюдать между магнонами и сверхпроводящими резонаторами, но на этот раз мы сделали это между двумя магнонными резонаторами без прямого взаимодействия. Связь возникает из-за косвенного взаимодействия между двумя сферами и общим сверхпроводящим резонатором». 

Одним из важных достижений нового исследования по сравнению с исследованием 2019 года является более длительная когерентность магнонов в магнитном резонаторе. 

«Если вы говорите в пещере, вы можете услышать эхо», — сказал Новосад. «Чем дольше длится эхо, тем дольше когерентность». 

«Раньше мы определенно видели связь между магнонами и сверхпроводящим резонатором, но в этом исследовании время их когерентности намного больше из-за использования сфер, поэтому мы можем увидеть свидетельства того, что отдельные магноны разговаривают друг с другом», — Ли продолжение. 

Ли говорит, что исследование может привести к созданию миниатюрных квантовых устройств из-за высокой концентрации магнитных спинов в устройстве. 

«Вполне возможно, что крошечные магниты смогут хранить секрет новых квантовых компьютеров», — заключил Ли.