Квантові обчислення обіцяють революціонізувати способи, якими вчені можуть обробляти та оперувати інформацією. Фізичні та матеріальні основи квантових технологій все ще вивчаються, і дослідники продовжують шукати нові способи маніпулювання інформацією та її обміну на квантовому рівні.
У недавньому дослідженні вчені з Аргоннської національної лабораторії Міністерства енергетики США створили мініатюрну надпровідну схему на основі мікросхеми, яка пов'язує квантові хвилі магнітних спинів, званих магнонами, з фотонами еквівалентної енергії.
Завдяки розробці цього підходу «на кристалі», який поєднує в собі магнетизм і надпровідність для управління квантовою інформацією, це фундаментальне відкриття може допомогти закласти основу для майбутніх досягнень у квантових обчисленнях.
Магнони виникають у магнітоупорядкованих системах як збудження всередині магнітного матеріалу, які викликають коливання напрямків намагнічування у кожного атома в матеріалі - явище, зване спиновою хвилею.
«Ви можете думати про це, як про наявність безлічі голок компаса, які всі магнітно пов'язані між собою», - кажуть дослідники. «Якщо ви вдарите по одному в певному напрямку, це викличе хвилю, яка поширюється через інших».
Магнони можуть розглядатися так само, як фотони світла - як хвилі і частинки. «Електромагнітна хвиля, представлена фотоном, еквівалентна спиновій хвилі, представленій магноном, - вони є аналогами один одного».
Оскільки фотони і магнони мають такі близькі стосунки один з одним, і обидва містять компонент магнітного поля, вчені шукали спосіб з'єднати їх разом. Магнони і фотони «спілкуються» один з одним через надпровідний мікрохвильовий резонатор, який переносить мікрохвильові фотони з енергією, ідентичною енергії магнонів в магнітних системах, які можуть бути пов'язані з ним.
Використання надпровідного резонатора з копланарною геометрією виявилося ефективним, оскільки воно дозволило дослідникам передавати мікрохвильовий струм з низькими втратами. Крім того, це також дозволило їм визначити частоту фотонів для зв'язку з магнонами.
"Пов'язуючи правильну довжину резонатора з правильною енергією наших магнонів і фотонів, ми по суті створюємо свого роду ехо-камеру для енергії та квантової інформації. Збудження залишаються в резонаторі набагато довше, і коли мова йде про квантові обчислення, це ті дорогоцінні моменти, протягом яких ми можемо виконувати операції ".
Оскільки розміри резонатора визначають частоту мікрохвильового фотона, магнітні поля необхідні для налаштування магнона для його узгодження.
«Ви можете думати про це як про налаштування гітари або скрипки», - кажуть дослідники. "Довжина вашої струни - в даному випадку наш резонатор фотонів - фіксована. Незалежно від магнонів ми можемо налаштувати інструмент, відрегулювавши додане магнітне поле, що аналогічно зміні величини натягнення струни ".
Зрештою, комбінація надпровідної і магнітної систем забезпечує точне з'єднання і поділ магнона і фотона, надаючи можливості для управління квантовою інформацією.