Wetenschap
Kwantumpraat met magnetische schijven
Om aan deze behoefte tegemoet te komen introduceert een onderzoeksteam van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) nu een nieuwe aanpak voor het transduceren van kwantuminformatie. Het team heeft kwantumbits, de zogenaamde qubits, gemanipuleerd door gebruik te maken van het magnetische veld van magnonen (golfachtige excitaties in magnetisch materiaal) die voorkomen in microscopisch kleine magnetische schijven. De onderzoekers hebben hun resultaten gepresenteerd in het tijdschrift Science Advances .
De constructie van een programmeerbare, universele kwantumcomputer geldt als een van de meest uitdagende technische en wetenschappelijke inspanningen van onze tijd. De realisatie van een dergelijke computer biedt grote mogelijkheden voor diverse industriële sectoren, zoals logistiek, financiën en farmacie. De constructie van een praktische kwantumcomputer wordt echter gehinderd door de intrinsieke kwetsbaarheid van de manier waarop de informatie in deze technologie wordt opgeslagen en verwerkt. Kwantuminformatie wordt gecodeerd in qubits, die extreem gevoelig zijn voor de ruis in hun omgeving. Kleine thermische fluctuaties, een fractie van een graad, kunnen de berekening volledig verstoren.
Dit heeft onderzoekers ertoe aangezet om de functionaliteiten van kwantumcomputers over verschillende afzonderlijke bouwstenen te verdelen, in een poging het foutenpercentage te verminderen en complementaire voordelen van hun componenten te benutten.
"Dit brengt echter het probleem met zich mee om de kwantuminformatie tussen de modules over te dragen op een manier dat de informatie niet verloren gaat", zegt HZDR-onderzoeker Mauricio Bejarano, eerste auteur van de publicatie. "Ons onderzoek ligt precies in deze specifieke niche, waarbij de communicatie tussen verschillende kwantummodules wordt overgebracht."
De momenteel gevestigde methode om kwantuminformatie over te dragen en qubits te adresseren is via microgolfantennes. Dit is de aanpak die Google en IBM gebruiken in hun supergeleidende chips, het technologische platform dat voorop loopt in deze kwantumrace.
"Wij daarentegen pakken de qubits aan met magnonen", zegt HZDR-natuurkundige Helmut Schultheiss, die toezicht hield op het werk. "Deze kunnen worden gezien als magnetische excitatiegolven die door magnetisch materiaal gaan. Het voordeel hiervan is dat de golflengte van magnonen in het micrometerbereik ligt en aanzienlijk korter is dan de centimetergolven van conventionele microgolftechnologie. Bijgevolg is de microgolfvoetafdruk van magnonen kosten minder ruimte in de chip."
Geavanceerde frequentiedeler
De HZDR-groep onderzocht de interactie van magnonen en qubits gevormd door vacatures van siliciumatomen in de kristalstructuur van siliciumcarbide, een materiaal dat veel wordt gebruikt in krachtige elektronica. Dergelijke typen qubits worden doorgaans spin-qubits genoemd, omdat de kwantuminformatie is gecodeerd in de spin-status van de vacature. Maar hoe kunnen magnonen worden gebruikt om dit soort qubits te besturen?
"Normaal gesproken worden magnonen gegenereerd met microgolfantennes. Dit brengt het probleem met zich mee dat het erg moeilijk is om de microgolfaandrijving die van de antenne komt te scheiden van die van de magnonen", legt Bejarano uit.
Om de microgolven van de magnonen te isoleren, gebruikte het HZDR-team een exotisch magnetisch fenomeen dat waarneembaar is in microscopisch kleine magnetische schijven van een nikkel-ijzerlegering.
"Door een niet-lineair proces hebben sommige magnonen in de schijf een veel lagere frequentie dan de aandrijffrequentie van de antenne. We manipuleren qubits alleen met deze magnonen met een lagere frequentie", zegt het onderzoek.
Het onderzoeksteam benadrukt dat ze nog geen kwantumberekeningen hebben uitgevoerd. Ze lieten echter zien dat het fundamenteel haalbaar is om qubits uitsluitend met magnonen aan te pakken.
Magnetronkracht benutten
“Tot nu toe heeft de kwantumengineeringgemeenschap zich nog niet gerealiseerd dat magnonen kunnen worden gebruikt om qubits te besturen”, benadrukt Schultheiss. "Maar onze experimenten tonen aan dat deze magnetische golven inderdaad nuttig kunnen zijn."
Om hun aanpak verder te ontwikkelen, bereidt het team zich al voor op hun toekomstplannen:ze willen proberen verschillende dicht bij elkaar gelegen individuele qubits zo te controleren dat magnonen hun verstrengelingsproces bemiddelen – een voorwaarde voor het uitvoeren van kwantumberekeningen.
Hun visie is dat magnonen op de lange termijn zo nauwkeurig kunnen worden opgewonden door directe elektrische stromen dat ze zich specifiek en exclusief richten op een enkele qubit in een reeks qubits. Dit zou het mogelijk maken om magnons in te zetten als programmeerbare quantumbus om qubits op een uiterst effectieve manier te adresseren. Hoewel er nog veel werk te doen is, benadrukt het onderzoek van de groep dat het combineren van magnonische systemen met kwantumtechnologieën nuttige inzichten zou kunnen opleveren voor de ontwikkeling van een praktische kwantumcomputer in de toekomst.