Kvantdatorer lovar att ta itu med några av de mest utmanande problemen som mänskligheten står inför idag. Även om mycket uppmärksamhet har riktats mot beräkning av kvantinformation, är omvandlingen av information inom kvantnätverk lika avgörande för att förverkliga potentialen hos denna nya teknik.
För att möta detta behov introducerar nu ett forskarteam vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ett nytt tillvägagångssätt för omvandling av kvantinformation. Teamet har manipulerat kvantbitar, så kallade qubits, genom att utnyttja magnetfältet hos magnoner - vågliknande excitationer i ett magnetiskt material - som förekommer i mikroskopiska magnetiska skivor. Forskarna har presenterat sina resultat i tidskriften Science Advances .
Konstruktionen av en programmerbar, universell kvantdator står som en av vår tids mest utmanande tekniska och vetenskapliga strävanden. Förverkligandet av en sådan dator har stor potential för olika industriområden som logistik, ekonomi och läkemedel. Konstruktionen av en praktisk kvantdator har dock hindrats av den inneboende bräckligheten i hur informationen lagras och bearbetas i denna teknik. Kvantinformation är kodad i qubits, som är extremt känsliga för bruset i sin omgivning. Små termiska fluktuationer, en bråkdel av en grad, kan helt störa beräkningen.
Detta har fått forskare att fördela funktionerna hos kvantdatorer mellan distinkta separata byggstenar, i ett försök att minska felfrekvensen och utnyttja kompletterande fördelar från deras beståndsdelar.
"Men detta ställer till problemet med att överföra kvantinformationen mellan modulerna på ett sätt så att informationen inte försvinner", säger HZDR-forskaren Mauricio Bejarano, första författare till publikationen. "Vår forskning ligger just i denna specifika nisch, som omvandlar kommunikation mellan distinkta kvantmoduler."
Den för närvarande etablerade metoden för att överföra kvantinformation och adressering av kvantbitar är genom mikrovågsantenner. Detta är det tillvägagångssätt som används av Google och IBM i sina supraledande chips, den tekniska plattformen som ligger i framkant i detta kvantkapplöpning.
"Vi, å andra sidan, adresserar qubits med magnoner", säger HZDR-fysikern Helmut Schultheiss, som övervakade arbetet. "Dessa kan ses som magnetiska excitationsvågor som passerar genom ett magnetiskt material. Fördelen här är att våglängden på magnoner ligger i mikrometerområdet och är betydligt kortare än centimetervågorna för konventionell mikrovågsteknik. Följaktligen är mikrovågsfotavtrycket för magnoner kostar mindre utrymme i chippet."
HZDR-gruppen undersökte interaktionen mellan magnoner och qubits som bildas av vakanser av kiselatomer i kristallstrukturen av kiselkarbid, ett material som vanligtvis används i högeffektelektronik. Sådana typer av qubits kallas vanligtvis spin qubits, givet att kvantinformationen är kodad i spin-tillståndet för den lediga tjänsten. Men hur kan magnoner användas för att kontrollera dessa typer av qubits?
"Typiskt genereras magnoner med mikrovågsantenner. Detta ställer till problemet att det är mycket svårt att separera mikrovågsenheten som kommer från antennen från den som kommer från magnonerna", förklarar Bejarano.
För att isolera mikrovågorna från magnonerna använde HZDR-teamet ett exotiskt magnetiskt fenomen som kan observeras i mikroskopiska magnetskivor av en nickel-järnlegering.
"På grund av en icke-linjär process har vissa magnoner inuti skivan en mycket lägre frekvens än antennens drivfrekvens. Vi manipulerar qubits endast med dessa lågfrekventa magnoner", säger forskningen.
Forskargruppen betonar att de inte har gjort några kvantberäkningar ännu. De visade dock att det i grunden är möjligt att adressera qubits uteslutande med magnoner.
"Till dags dato har kvantingenjörssamfundet ännu inte insett att magnoner kan användas för att kontrollera qubits", betonar Schultheiss. "Men våra experiment visar att dessa magnetiska vågor verkligen kan vara användbara."
För att vidareutveckla sitt tillvägagångssätt förbereder teamet redan sina framtidsplaner:De vill försöka kontrollera flera nära åtskilda individuella qubits på ett sådant sätt att magnoner förmedlar deras intrasslingsprocess – en förutsättning för att utföra kvantberäkningar.
Deras vision är att magnoner på lång sikt kan exciteras av elektriska likströmmar med sådan precision att de specifikt och exklusivt adresserar en enda qubit i en uppsättning qubits. Detta skulle göra det möjligt att använda magnoner som en programmerbar kvantbuss för att adressera qubits på ett extremt effektivt sätt. Även om det finns mycket arbete framför sig, visar gruppens forskning att kombinationen av magnoniska system med kvantteknologier kan ge användbara insikter för utvecklingen av en praktisk kvantdator i framtiden.
Mer information: Mauricio Bejarano et al, Parametrisk magnon-transduktion till spin-qubits, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi2042. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2042
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
