Forskare har börjat använda magneter för att trassla in qubits, byggstenarna i kvantdatorer. Denna enkla teknik kan låsa upp komplexa funktioner.

När du trycker på en knapp för att öppna en garageport, öppnar den inte alla garageportar i grannskapet. Det beror på att öppnaren och dörren kommunicerar med en specifik mikrovågsfrekvens, en frekvens som ingen annan närliggande dörr använder.

Forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, University of Chicago, University of Iowa och Tohoku University i Japan har börjat utveckla enheter som kan använda samma principer – skicka signaler genom magneter istället för genom luften – att ansluta individuella qubits över ett chip, som rapporterats i en ny artikel publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Detta är ett bevis på konceptet, vid rumstemperatur, av en skalbar, robust kvantteknik som använder konventionella material", säger David Awschalom, Liew Family professor i molekylär teknik och fysik vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering; direktören för Chicago Quantum Exchange; chefen för Q-NEXT, ett DOE National Quantum Information Science Research Centre som är värd i Argonne; och projektets huvudutredare. "Det fina med detta experiment ligger i dess enkelhet och dess användning av väletablerad teknik för att konstruera och i slutändan trassla in kvantenheter.

Att ansluta qubits genom kvantentanglement är nödvändigt för att bygga en kvantdator, men det kan ofta vara knepigt. Med kvävevakanscenter (NV) – defekter i diamant som kan användas som qubits – är utmaningen att för att kunna prata med varandra måste de vara väldigt, väldigt nära varandra. Den normala kvantinteraktionen mellan NV-centra har en maximal räckvidd på bara några få nanometer – en tusendel av bredden på ett hårstrå – och när NV-centra är så nära varandra kan de inte konstrueras till en användbar konfiguration.

"Du måste kunna lägga vantarna på saker där inne för att ansluta ledningar och göra en enhet", säger Michael Flatté, professor i fysik och astronomi vid University of Iowa som bidragit till arbetet. Flatté är också chefsforskare på kvantteknologiföretaget QuantCAD LLC, en Chicago Quantum Exchange-företagspartner. "Och nanometer är alldeles för nära för det."

Det är där magneter kommer in.

För två år sedan publicerade Flatté och hans medarbetare en teoretisk artikel som föreslog att man skulle använda ett magnetiskt material för att skapa en kvantkoppling mellan NV-centra så att de kunde intrasslas medan de var längre ifrån varandra. Den normala interaktionen mellan två NV-centra involverar mikrovågor. I denna föreslagna enhet tar magneten emot mikrovågen från NV-centret och sänder den via "magnon" till NV på andra sidan.

I en magnet pekar spinnen av alla elektroner inuti den i samma riktning, som kornstjälkar som alla pekar uppåt. En magnon är en liten vågstörning genom dessa snurr, som en våg vinden skulle göra över spannmålsfältet. Magnoner kan gå mycket längre än nanometer – till och med tusen gånger längre, faktiskt till många mikrometer.

"Mikrometerskalan är ganska intressant eftersom det är den typiska skalan för många integrerade elektroniska enheter, som kiseltransistorer i ett datorchip," sa Flatté. "Så om du skulle göra saker av den storleken, då kan du få ett rimligt antal av dem på ett chip."

Att koppla ihop NV-center-qubits med magneter möjliggör också selektiv interaktion:Om två qubits i kvantdatorn pratade med en något annorlunda frekvens, kunde de trassla in sig utan att störa eller påverkas av de andra qubits, även om det fanns andra qubits mellan dem. Denna förmåga är extremt viktig för den typ av komplext arbete som forskare vill att kvantdatorer ska utföra.

Detta experiment av Awschalom och hans medarbetare verifierade framgångsrikt att NV-centret kunde "prata" med det magnetiska materialet och överföra dess mikrovågsugn som en magnon. Dessutom matchade siffrorna nästan perfekt med vad som förutspåddes i den teoretiska artikeln för två år sedan.

"Detta arbete är bra synergi mellan experiment och teori," sa Masaya Fukami, första författare på tidningen. Fukami var postdoc vid Pritzker School of Molecular Engineering vid UChicago under experimentet och arbetar nu på kvantdatorföretaget PsiQuantum. "Jag var verkligen imponerad av hur väl modellen förutspådde experimentet. Det ger mig mycket förtroende för det här systemet."

Nu när de har konstaterat att NV-centret kan prata med magneten, är nästa steg att sätta ett annat NV-center på andra sidan och se om magneten kan förmedla en kvantkoppling mellan de två.

"Detta är den första integrationsmodaliteten med magneter," sa Flatté. "Jag tycker att det är ett riktigt kraftfullt tillvägagångssätt som i princip också skulle kunna tillämpas på andra solid state qubit-system."

Mer information: Masaya Fukami et al, Magnon-medierad qubit-koppling bestämt via förlustmätningar, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2313754120

Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences

Tillhandahålls av University of Chicago