US Department of Energy (DOE) har nyligen finansierat både DOE:s Argonne National Laboratory och University of Illinois Champaign-Urbana (UIUC) i ett nytt projekt relaterat till kvantinformationsvetenskap. Argonne-teamet kommer att tillföra projektet sin expertis inom koppling av supraledande och magnetiska system. UIUC-teamet kommer att bidra med sina kapaciteter i världsklass för att utveckla nya magnetiska material för kvantsystem.

"Kvantinformationsvetenskap lovar nya och annorlunda sätt på vilka forskare kan bearbeta och manipulera information för avkänning, dataöverföring och datoranvändning, sa Valentine Novosad, en senior vetenskapsman vid Argonnes materialvetenskapsavdelning. "UIUC är en perfekt partner för oss för att förverkliga banbrytande upptäckter inom detta område."

Inom det framväxande området för kvantinformationsvetenskap, mikrovågor kan spela en grundläggande roll eftersom deras fysiska egenskaper gör det möjligt för dem att tillhandahålla önskad kvantfunktion vid temperaturer nära absolut noll (minus 460 grader Fahrenheit) - en nödvändighet eftersom värme skapar fel i kvantoperationer. Dock, mikrovågor är känsliga för buller, vilket är oönskad energi som stör signal- och dataöverföring.

Forskargruppen kommer att undersöka om magnoner kan samarbeta med mikrovågsfotoner för att säkerställa att mikrovågor bara kan färdas i en riktning, vilket i huvudsak eliminerar brus. Magnoner är de grundläggande excitationerna av magneter. Däremot mikrovågsfotoner är resultatet av elektroniska excitationer som producerar vågor som de i en mikrovågsugn.

Argonne-forskarna kommer att bygga vidare på sina tidigare ansträngningar att skapa en supraledande krets integrerad med magnetiska element. Magnonerna och fotonerna pratar med varandra genom denna supraledande enhet. Superledningsförmåga - den fullständiga frånvaron av elektriskt motstånd - tillåter koppling av magnoner och mikrovågsfotoner nära absolut noll.

"Denna förmåga ger unika möjligheter att manipulera kvantinformation, " förklarade Yi Li, en postdoktor vid Argonnes avdelning för materialvetenskap.

Förr, Argonne har spelat stora roller i utvecklingen av supraledande detektorer och sensorer för att förstå hur universum fungerar på den mest grundläggande nivån. "Vi kommer att dra nytta av den värdefulla kunskap som erhållits i dessa mycket framgångsrika projekt inom kosmologi och partikelfysik, sa Novosad.

UIUC-forskarna kommer att söka efter magneter som fungerar vid ultrakalla temperaturer. De kommer att testa kända och nya materialsystem för att hitta kandidater som kan hantera en ultrakall miljö och arbeta i en riktig kvantenhet.

"Många magneter fungerar bra med mikrovågor i rumstemperatur", sa Axel Hoffmann, Grundare professor i teknik vid UIUC och ledare för detta projekt. "Vi behöver material som också fungerar bra vid mycket lägre temperaturer, som helt kan förändra deras egenskaper."

"Om vi ​​lyckas inom dessa tre år, vi kommer att ha magnetiska strukturer direkt integrerade med kvantkretsar, Hoffmann sa. "Detta arbete kan också gälla icke-kvantenheter för avkänning och kommunikation, som i Wi-Fi eller Bluetooth-teknik."

Detta nya projekt är ytterligare ett exempel på hur Argonne och UIUC leder vägen mot en kvantframtid. Argonne bedriver inte bara tvärvetenskaplig forskning inom sin stora portfölj av QIS-projekt utan leder också Q-NEXT, ett av fem QIS-forskningscentra som DOE etablerades i augusti 2020. På samma sätt, UIUC stödjer ett brett utbud av kvantinformationsprojekt, som Q-NEXT, genom Illinois Quantum Information Science and Technology (IQUIST) Center.