Quantum computing belooft een revolutie teweeg te brengen in de manieren waarop wetenschappers informatie kunnen verwerken en manipuleren. De fysieke en materiële onderbouwing voor kwantumtechnologieën wordt nog steeds onderzocht, en onderzoekers blijven zoeken naar nieuwe manieren waarop informatie op kwantumniveau kan worden gemanipuleerd en uitgewisseld.

In een recente studie, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een geminiaturiseerd, op chips gebaseerd supergeleidend circuit gemaakt dat kwantumgolven van magnetische spins, magnons genaamd, koppelt aan fotonen met equivalente energie. Door de ontwikkeling van deze "on-chip"-benadering die magnetisme en supergeleiding combineert voor het manipuleren van kwantuminformatie, deze fundamentele ontdekking zou kunnen helpen om de basis te leggen voor toekomstige ontwikkelingen in kwantumcomputing.

Magnonen verschijnen in magnetisch geordende systemen als excitaties in een magnetisch materiaal die een oscillatie van de magnetisatierichtingen bij elk atoom in het materiaal veroorzaken - een fenomeen dat een spingolf wordt genoemd. "Je kunt het zien als een reeks kompasnaalden die allemaal magnetisch met elkaar zijn verbonden, " zei Argonne materiaalwetenschapper Valentine Novosad, een auteur van de studie. "Als je iemand in een bepaalde richting schopt, het zal een golf veroorzaken die zich door de rest voortplant."

Net zoals fotonen van licht kunnen worden gezien als zowel golven als deeltjes, zo ook magnons. "De elektromagnetische golf die wordt weergegeven door een foton is gelijk aan de spingolf die wordt weergegeven door een magnon - de twee zijn analogen van elkaar, " zei Argonne postdoctoraal onderzoeker Yi Li, een andere auteur van de studie.

Omdat fotonen en magnonen zo'n nauwe relatie met elkaar hebben, en beide bevatten een magnetisch veldcomponent, de Argonne-wetenschappers zochten een manier om de twee aan elkaar te koppelen. De magnonen en fotonen "praten" met elkaar via een supergeleidende microgolfholte, die microgolffotonen draagt ​​met een energie die identiek is aan de energie van magnonen in de magnetische systemen die eraan gekoppeld zouden kunnen zijn.

Het gebruik van een supergeleidende resonator met een coplanaire geometrie bleek effectief omdat het de onderzoekers in staat stelde een microgolfstroom met weinig verlies uit te zenden. Aanvullend, het stelde hen ook in staat om gemakkelijk de frequentie van fotonen te definiëren voor koppeling aan de magnonen.

"Door de juiste lengte van de resonator te koppelen aan de juiste energie van onze magnonen en fotonen, we creëren in wezen een soort echokamer voor energie en kwantuminformatie, "Zei Novosad. "De excitaties blijven veel langer in de resonator, en als het gaat om kwantumcomputing, dat zijn de kostbare momenten waarop we operaties kunnen uitvoeren."

Omdat de afmetingen van de resonator de frequentie van het microgolffoton bepalen, magnetische velden zijn nodig om de magnon hierop af te stemmen.

"Je kunt het zien als het stemmen van een gitaar of een viool, ' zei Novosad. 'De lengte van je snaar - in dit geval, onze resonator van fotonen - is vast. Onafhankelijk, voor de magnonen, we kunnen het instrument afstemmen door het aangelegde magnetische veld aan te passen, wat vergelijkbaar is met het wijzigen van de hoeveelheid spanning op de snaar."

uiteindelijk, Li zei, de combinatie van een supergeleidend en een magnetisch systeem zorgt voor een nauwkeurige koppeling en ontkoppeling van het magnon en het foton, mogelijkheden bieden voor het manipuleren van kwantuminformatie.

Argonne's centrum voor materialen op nanoschaal, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, werd gebruikt om de resonator lithografisch te verwerken.

Een paper gebaseerd op de studie, "Sterke koppeling tussen magnonen en microgolffotonen in on-chip ferromagneet-supergeleider dunne-filmapparaten, " verscheen in het nummer van 3 september van Fysieke beoordelingsbrieven en werd ook benadrukt in de suggestie van de redactie.