Schematisk beskrivning av den avlägsna magnon-magnon-kopplingskretsen. Två enkristall-YIG-sfärer är inbäddade i den NbN-koplanära supraledande resonatorkretsen, där mikrovågsfoton förmedlar koherent magnon-magnon-interaktion. Kredit:Yi Li/Argonne National Laboratory.
Magnetiska interaktioner kan peka på miniatyriserbara kvantenheter.
Magnetism har spelat en roll i avgörande upptäckter som omformar vårt samhälle, från MRI-maskiner till hårddisklagring. Inom det nya området för kvantberäkning kan magnetiska interaktioner spela en roll för att vidarebefordra kvantinformation.
I ny forskning från U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har forskare uppnått effektiv kvantkoppling mellan två avlägsna magnetiska enheter, som kan vara värd för en viss typ av magnetiska excitationer som kallas magnoner. Dessa excitationer inträffar när en elektrisk ström genererar ett magnetfält. Kopplingen tillåter magnoner att utbyta energi och information. Denna typ av koppling kan vara användbar för att skapa nya enheter för kvantinformationsteknologi.
"Fjärrkoppling av magnoner är det första steget, eller nästan en förutsättning, för att utföra kvantarbete med magnetiska system", säger Argonne seniorforskare Valentine Novosad, en författare till studien. "Vi visar förmågan för dessa magnoner att direkt kommunicera med varandra på avstånd."
Denna omedelbara kommunikation kräver inte att ett meddelande skickas mellan magnoner som begränsas av ljusets hastighet. Det är analogt med vad fysiker kallar kvantförveckling.
Efter en studie 2019 försökte forskarna skapa ett system som skulle tillåta magnetiska excitationer att prata med varandra på avstånd i en supraledande krets. Detta skulle tillåta magnonerna att potentiellt utgöra grunden för en typ av kvantdator. För den grundläggande grunden för en livskraftig kvantdator behöver forskare att partiklarna kopplas ihop och förblir kopplade under lång tid.
För att uppnå en stark kopplingseffekt har forskare byggt en supraledande krets och använt två små yttriumjärngranat (YIG) magnetiska sfärer inbäddade i kretsen. Detta material, som stöder magnoniska excitationer, säkerställer effektiv och lågförlustkoppling för magnetsfärerna.
De två sfärerna är båda magnetiskt kopplade till en delad supraledande resonator i kretsen, som fungerar som en telefonlinje för att skapa stark koppling mellan de två sfärerna även när de är nästan en centimeter från varandra – 30 gånger avståndet från deras diametrar.
"Detta är en betydande prestation", säger Argonne materialforskare Yi Li, huvudförfattare till studien. "Liknande effekter kan också observeras mellan magnoner och supraledande resonatorer, men den här gången gjorde vi det mellan två magnonresonatorer utan direkt interaktion. Kopplingen kommer från indirekt interaktion mellan de två sfärerna och den delade supraledande resonatorn."
En ytterligare förbättring jämfört med 2019 års studie involverade den längre koherensen av magnonerna i magnetresonatorn. "Om du talar i en grotta kan du höra ett eko", sa Novosad. "Ju längre det ekot varar, desto längre blir koherensen."
"Förut såg vi definitivt ett förhållande mellan magnoner och en supraledande resonator, men i den här studien är deras koherenstider mycket längre på grund av användningen av sfärerna, vilket är anledningen till att vi kan se bevis på att separerade magnoner pratar med varandra," Li Li. lagt till.
Enligt Li, eftersom de magnetiska snurrarna är mycket koncentrerade i enheten, kan studien peka på miniatyriserbara kvantenheter. "Det är möjligt att små magneter kan hålla hemligheten bakom nya kvantdatorer", sa han.
De magnoniska enheterna tillverkades vid Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science-användaranläggning.
En artikel baserad på studien publicerades i Physical Review Letters . + Utforska vidare
