พฤติกรรมแม่เหล็กใหม่ที่ค้นพบอาจนำไปสู่อุปกรณ์ควอนตัมรุ่นต่อไป

นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ (Argonne National Laboratory) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (DOE) ได้ค้นพบพฤติกรรมแม่เหล็กที่อาจนำไปสู่อุปกรณ์ควอนตัมใหม่ๆ ทีมงานได้ทำการเชื่อมต่อควอนตัมระหว่างอุปกรณ์แม่เหล็กที่อยู่ห่างไกลกัน ซึ่งสามารถรองรับการกระตุ้นแม่เหล็กชนิดพิเศษที่เรียกว่าแมกนอน (magnons) ที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็ก โดยการเชื่อมต่ออุปกรณ์แม่เหล็กเหล่านี้ แมกนอนสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานและข้อมูลซึ่งกันและกัน ซึ่งอาจนำไปสู่การสร้างอุปกรณ์ควอนตัมใหม่ๆ

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Physical Review Letters

ความก้าวหน้าด้านแม่เหล็กและอุปกรณ์ควอนตัม

การค้นพบใหม่นี้เป็นการพัฒนาสาขาแม่เหล็กซึ่งเป็นพลังขับเคลื่อนเบื้องหลังการค้นพบสำคัญๆ มากมาย เช่น การค้นพบเครื่อง MRI และการเก็บข้อมูลฮาร์ดดิสก์

Valentine Novosad เป็นนักวิทยาศาสตร์ระดับสูงของ Argonne และเป็นผู้เขียนการศึกษา

“การเชื่อมต่อระยะไกลของแมกนอนเป็นขั้นตอนแรกหรือเกือบเป็นข้อกำหนดสำหรับการทำงานควอนตัมด้วยระบบแม่เหล็ก” Novosad กล่าว “เราทำให้เห็นความสามารถของแมกนอนในการสื่อสารกันในทันทีที่ระยะไกล”

การสื่อสารในทันทีนี้สามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องส่งสารระหว่างแมกนอนที่จำกัดด้วยความเร็วของแสง

นักวิจัยต่อยอดจากการศึกษาในปี 2019 ซึ่งพวกเขาได้พัฒนาระบบที่จะทำให้เกิดการกระตุ้นแม่เหล็กที่สามารถสื่อสารกันในระยะไกลในวงจรซูเปอร์คอนดักเตอร์ ซึ่งสามารถทำให้แมกนอนเป็นพื้นฐานของควอนตัมคอมพิวเตอร์แบบหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ใช้งานได้จริงจะต้องมีการเชื่อมต่อระหว่างอนุภาคและยังคงอยู่เป็นเวลานาน

การสร้างการควบคู่ที่แข็งแรง

ทีมงานได้สร้างวงจรซูเปอร์คอนดักเตอร์และใช้ทรงกลมแม่เหล็กขนาดเล็กสองลูกที่ทำจากยิตเทรียมไอรอนการ์เนต (YIG)ที่ฝังอยู่ในวงจร วัสดุนี้รองรับการกระตุ้นแมกนอนและทำให้ทรงกลมแม่เหล็กควบคู่กันได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยสูญเสียพลังงานต่ำ

นักวิจัยได้ทำการเชื่อมต่อที่เข้มแข็งระหว่างลูกบอลทั้งสองที่ระยะห่างเพียงเซนติเมตรโดยการเชื่อมต่อแม่เหล็กระหว่างลูกบอลทั้งสองกับเรโซเนเตอร์ตัวนำยิ่งยวดร่วมในวงจร

Yi Li เป็นนักวิทยาศาสตร์วัสดุของ Argonne และเป็นผู้เขียนหลักของการศึกษานี้

“นี่เป็นความสำเร็จที่สำคัญ” Li กล่าว “ผลกระทบการเชื่อมต่อที่คล้ายกันสามารถสังเกตได้ระหว่างแมกนอนและเรโซเนเตอร์ตัวนำยิ่งยวด แต่ครั้งนี้เราทำได้ระหว่างเรโซเนเตอร์แมกนอนสองตัวโดยไม่มีการโต้ตอบโดยตรง การเชื่อมต่อนี้มาจากการโต้ตอบทางอ้อมระหว่างลูกบอลทั้งสองกับเรโซเนเตอร์ตัวนำยิ่งยวดร่วม”

หนึ่งในความพัฒนาที่สำคัญของการศึกษานี้เมื่อเทียบกับการศึกษาในปี 2019 คือระยะเวลาโคฮีเรนซ์ของแมกนอนในเรโซเนเตอร์แม่เหล็กที่ยาวนานขึ้น

“หากคุณพูดในถ้ำ คุณอาจได้ยินเสียงสะท้อน” Novosad กล่าว “เสียงสะท้อนที่ยาวนานกว่านั้นหมายถึงโคฮีเรนซ์ที่ยาวนานกว่า”

“ก่อนหน้านี้ เราเห็นความสัมพันธ์ระหว่างแมกนอนและเรโซเนเตอร์ตัวนำยิ่งยวด แต่ในการศึกษานี้ เวลาโคฮีเรนซ์ยาวนานขึ้นมากจากการใช้ทรงกลม จึงทำให้เราเห็นหลักฐานว่าแมกนอนที่แยกจากกันสื่อสารกันได้” Li กล่าวต่อ

Li กล่าวว่าการศึกษานี้อาจนำไปสู่การสร้างอุปกรณ์ควอนตัมที่มีขนาดเล็กลงเนื่องจากสปินแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นสูงในอุปกรณ์

“มีความเป็นไปได้ที่แม่เหล็กขนาดเล็กอาจมีคำตอบสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมใหม่ๆ” Li กล่าวสรุป