Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) heeft onlangs zowel DOE's Argonne National Laboratory als de University of Illinois Champaign-Urbana (UIUC) gefinancierd in een nieuw project met betrekking tot kwantuminformatiewetenschap. Het Argonne-team zal zijn expertise in het koppelen van supergeleidende en magnetische systemen naar het project brengen. Het UIUC-team zal zijn capaciteiten van wereldklasse bijdragen voor het ontwikkelen van nieuwe magnetische materialen voor kwantumsystemen.

"Kwantuminformatiewetenschap belooft nieuwe en andere manieren waarop wetenschappers informatie kunnen verwerken en manipuleren voor detectie, gegevensoverdracht en computergebruik, " zei Valentine Novosad, een senior wetenschapper in de Materials Science-divisie van Argonne. "UIUC is voor ons een perfecte partner om baanbrekende ontdekkingen op dit gebied te realiseren."

In het opkomende gebied van de kwantuminformatiewetenschap, microgolven kunnen een fundamentele rol spelen omdat hun fysieke eigenschappen hen in staat stellen de gewenste kwantumfunctionaliteit te bieden bij temperaturen nabij het absolute nulpunt (minus 460 graden Fahrenheit) - een noodzaak omdat warmte fouten veroorzaakt bij kwantumbewerkingen. Echter, magnetrons zijn gevoelig voor geluid, dat is ongewenste energie die de signaal- en gegevensoverdracht verstoort.

Het onderzoeksteam zal onderzoeken of magnons kunnen samenwerken met microgolffotonen om ervoor te zorgen dat microgolven slechts in één richting kunnen reizen, waardoor ruis in wezen wordt geëlimineerd. Magnonen zijn de fundamentele excitaties van magneten. Daarentegen, microgolffotonen zijn het resultaat van elektronische excitaties die golven produceren zoals die in een magnetron.

De wetenschappers van Argonne zullen voortbouwen op hun eerdere inspanningen om een ​​supergeleidend circuit te creëren dat is geïntegreerd met magnetische elementen. De magnonen en fotonen praten met elkaar via dit supergeleidende apparaat. Supergeleiding - de volledige afwezigheid van elektrische weerstand - maakt het mogelijk om magnonen en microgolffotonen te koppelen nabij het absolute nulpunt.

"Deze mogelijkheid biedt unieke kansen voor het manipuleren van kwantuminformatie, " legde Yi Li uit, een postdoctoraal aangestelde in de Materials Science-divisie van Argonne.

Vroeger, Argonne heeft een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling van supergeleidende detectoren en sensoren om de werking van het universum op het meest fundamentele niveau te begrijpen. "We zullen profiteren van de waardevolle kennis die is opgedaan in deze zeer succesvolle projecten in kosmologie en deeltjesfysica, ', zei Novosad.

De UIUC-onderzoekers gaan op zoek naar magneten die werken bij ultrakoude temperaturen. Ze zullen bekende en nieuwe materiaalsystemen testen om kandidaten te vinden die een ultrakoude omgeving aankunnen en werken in een echt kwantumapparaat.

"Veel magneten werken goed met microgolven bij kamertemperatuur", zegt Axel Hoffmann, Oprichter Professor in Engineering aan UIUC en de leider van dit project. "We hebben materialen nodig die ook bij veel lagere temperaturen goed werken, die hun eigenschappen volledig kunnen veranderen."

"Als we binnen deze drie jaar succesvol zijn, we zullen magnetische structuren hebben die direct geïntegreerd zijn met kwantumschakelingen, "Hoffmann zei. "Dit werk kan ook van toepassing zijn op niet-kwantumapparaten voor detectie en communicatie, zoals in Wi-Fi- of Bluetooth-technologieën."

Dit nieuwe project is een ander voorbeeld van hoe Argonne en UIUC de weg wijzen naar een kwantumtoekomst. Argonne doet niet alleen interdisciplinair onderzoek binnen haar grote portfolio van QIS-projecten, maar leidt ook Q-NEXT, een van de vijf QIS-onderzoekscentra die DOE in augustus 2020 heeft opgericht. UIUC ondersteunt een breed scala aan kwantuminformatieprojecten, zoals Q-NEXT, via het Illinois Quantum Information Science and Technology (IQUIST) Center.