Quantum computing lovar att revolutionera hur forskare kan bearbeta och manipulera information. Den fysiska och materiella grunden för kvantteknologi undersöks fortfarande, och forskare fortsätter att leta efter nya sätt på vilka information kan manipuleras och utbytas på kvantnivå.

I en nyligen genomförd studie forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har skapat en miniatyriserad chipbaserad superledande krets som kopplar kvantvågor av magnetiska snurr kallade magnoner till fotoner med ekvivalent energi. Genom utvecklingen av denna "on chip" -metod som gifter sig med magnetism och supraledning för manipulation av kvantinformation, denna grundläggande upptäckt kan hjälpa till att lägga grunden för framtida framsteg inom kvantberäkning.

Magnoner dyker upp i magnetiskt ordnade system som excitationer inom ett magnetiskt material som orsakar en oscillation av magnetiseringsriktningarna vid varje atom i materialet - ett fenomen som kallas en spinnvåg. "Du kan tänka på det som att ha en rad kompassnålar som alla är magnetiskt sammanlänkade, "sade Argonne materialvetare Valentine Novosad, en författare till studien. "Om du sparkar en i en viss riktning, det kommer att orsaka en våg som sprider sig genom resten. "

Precis som fotoner av ljus kan betraktas som både vågor och partiklar, så kan också magnoner. "Den elektromagnetiska vågen som representeras av en foton är ekvivalent med snurrvågan representerad av en magnon - de två är analoger till varandra, "sade Argonne postdoktoralforskare Yi Li, en annan författare till studien.

Eftersom fotoner och magnoner delar en så nära relation till varandra, och båda innehåller en magnetfältskomponent, Argonne -forskarna sökte ett sätt att koppla ihop de två. Magnonerna och fotonerna "pratar" med varandra genom ett supraledande mikrovågshålrum, som bär mikrovågsfotoner med en energi som är identisk med energin hos magnoner i de magnetiska system som kan kopplas till den.

Att använda en supraledande resonator med en koplanär geometri visade sig vara effektivt eftersom det tillät forskarna att överföra en mikrovågsström med låg förlust. Dessutom, det gjorde det också möjligt för dem att bekvämt definiera fotons frekvens för koppling till magnonerna.

"Genom att para ihop rätt resonatorlängd med rätt energi hos våra magnoner och fotoner, vi skapar i huvudsak ett slags ekokammare för energi och kvantinformation, "Sa Novosad." Excitationerna stannar kvar i resonatorn under mycket längre tid, och när det gäller att göra kvantberäkning, det är de värdefulla stunderna under vilka vi kan utföra operationer. "

Eftersom resonatorns dimensioner bestämmer frekvensen för mikrovågsfoton, magnetfält krävs för att ställa in magnonen för att matcha den.

"Du kan tänka på det som att stämma en gitarr eller en fiol, "Sa Novosad." Längden på din sträng - i det här fallet, vår resonator av fotoner - är fixerad. Oberoende av, för magnonerna, vi kan ställa in instrumentet genom att justera det applicerade magnetfältet, vilket liknar att ändra spänningsmängden på strängen. "

I sista hand, Li sa, kombinationen av ett supraledande och ett magnetiskt system möjliggör exakt koppling och frikoppling av magnon och foton, presentera möjligheter för att manipulera kvantinformation.

Argonnes centrum för nanoskala material, en DOE Office of Science User Facility, användes för att litografiskt bearbeta resonatorn.

Ett papper baserat på studien, "Stark koppling mellan magnoner och mikrovågsfotoner i tunn-film-enheter med ferromagnet-superledare, "dök upp i 3 september -numret av Fysiska granskningsbrev och framhölls också i redaktörernas förslag.