Magnetische interacties kunnen wijzen op miniaturiseerbare kwantumapparaten.

Van MRI-machines tot opslag op de harde schijf van computers, magnetisme heeft een rol gespeeld bij cruciale ontdekkingen die onze samenleving opnieuw vormgeven. Op het nieuwe gebied van kwantumcomputing kunnen magnetische interacties een rol spelen bij het doorgeven van kwantuminformatie.

In nieuw onderzoek van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben wetenschappers een efficiënte kwantumkoppeling bereikt tussen twee verre magnetische apparaten, die een bepaald type magnetische excitaties, magnons genaamd, kunnen bevatten. Deze excitaties gebeuren wanneer een elektrische stroom een ​​magnetisch veld opwekt. Koppeling stelt magnons in staat om energie en informatie uit te wisselen. Dit soort koppeling kan nuttig zijn voor het maken van nieuwe apparaten voor kwantuminformatietechnologie.

"Het op afstand koppelen van magnons is de eerste stap, of bijna een vereiste, om kwantumwerk met magnetische systemen te doen", zegt Argonne senior wetenschapper Valentine Novosad, een auteur van het onderzoek. "We laten zien dat deze magnons op afstand direct met elkaar kunnen communiceren."

Voor deze directe communicatie is het niet nodig om een ​​bericht te verzenden tussen magnons die worden beperkt door de snelheid van het licht. Het is analoog aan wat natuurkundigen kwantumverstrengeling noemen.

In navolging van een onderzoek uit 2019 probeerden de onderzoekers een systeem te creëren waarmee magnetische excitaties op afstand met elkaar kunnen praten in een supergeleidend circuit. Hierdoor zouden de magnons mogelijk de basis kunnen vormen van een soort kwantumcomputer. Voor de basisonderbouwing van een levensvatbare kwantumcomputer moeten onderzoekers de deeltjes koppelen en lange tijd gekoppeld blijven.

Om een ​​sterk koppelingseffect te bereiken, hebben onderzoekers een supergeleidend circuit gebouwd en twee kleine yttrium-ijzer-granaat (YIG) magnetische bollen gebruikt die in het circuit zijn ingebed. Dit materiaal, dat magnonische excitaties ondersteunt, zorgt voor een efficiënte en verliesarme koppeling van de magnetische bollen.

De twee bollen zijn beide magnetisch gekoppeld aan een gedeelde supergeleidende resonator in het circuit, die werkt als een telefoonlijn om een ​​sterke koppeling tussen de twee bollen te creëren, zelfs als ze bijna een centimeter van elkaar verwijderd zijn - 30 keer de afstand van hun diameter.

"Dit is een belangrijke prestatie", zegt materiaalwetenschapper Yi Li van Argonne, hoofdauteur van de studie. "Vergelijkbare effecten kunnen ook worden waargenomen tussen magnons en supergeleidende resonatoren, maar deze keer deden we het tussen twee magnon-resonatoren zonder directe interactie. De koppeling komt van indirecte interactie tussen de twee bollen en de gedeelde supergeleidende resonator."

Een extra verbetering ten opzichte van de studie van 2019 was de langere coherentie van de magnonen in de magnetische resonator. "Als je in een grot spreekt, hoor je misschien een echo", zei Novosad. "Hoe langer die echo duurt, hoe langer de samenhang."

"Vroeger zagen we zeker een verband tussen magnons en een supergeleidende resonator, maar in deze studie zijn hun coherentietijden veel langer vanwege het gebruik van de bollen, daarom kunnen we bewijs zien van gescheiden magnons die met elkaar praten," Li toegevoegd.

Volgens Li, omdat de magnetische spins sterk geconcentreerd zijn in het apparaat, zou het onderzoek kunnen wijzen op miniaturiseerbare kwantumapparaten. "Het is mogelijk dat kleine magneten het geheim van nieuwe kwantumcomputers kunnen bevatten," zei hij.

De magnonische apparaten zijn gefabriceerd in Argonne's Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Een paper op basis van de studie werd gepubliceerd in Physical Review Letters . + Verder verkennen

Wetenschappers koppelen magnetisatie aan supergeleiding voor kwantumontdekkingen