Enheder, der drager fordel af den kollektive kvanteopførsel af spin -excitationer i magnetiske materialer – kendt som Magnons – har potentialet til at forbedre kvanteberegningsenheder. Brug af Magnons i kvanteenheder kræver imidlertid en dybdegående forståelse af deres art og begrænsninger. En ny eksperimentel teknik bruger superledende qubits til følsomt at karakterisere Magnon -opførsel i tidligere uudforskede regimer.
Forskere i Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana-Champaign har rapporteret i tidsskriftet Fysisk gennemgang anvendt Den meget ophidsede Magnon -opførsel i ferromagnetiske materialer kan karakteriseres nøjagtigt ved at koble materialet til en superledende quobit via et mikrobølgehulrum. Denne opsætning gjorde det muligt for forskerne at karakterisere både antallet af Magnons og deres levetid, når tusinder af excitationer er til stede, et regime, der ikke er blevet undersøgt godt.
“For at være nyttige i kvantecomputationsapplikationer skal begrænsninger på Magnon -systemer forstås korrekt,” sagde Sonia Rani, undersøgelsens hovedforfatter. “Problemet er, at der ikke er en god teori for, når visse effekter bliver vigtige, og hvis vi skulle forvente, at de vil føre til skadelige virkninger.
“Vores eksperiment viser, at vi kan bruge superledende qubits som fleksible detektorer til at studere Magnons i disse magnetiske systemer over et stort interval, hvilket er spændende både for kvanteberegningsforbindelsen og for grundlæggende videnskab.”
Magnon -enheder kan forbedre kvantecomputere med funktionaliteter såsom ikke -reciprocity, hvor enheden kun tillader information at flyde i en retning, transduktion eller konvertering mellem forskellige driftsfrekvenser for forskellige systemer.
Disse funktionaliteter antager lineær Magnon-opførsel, eller at magnon-excitationerne i materialet ikke interagerer med hinanden, og at deres dæmpning er godt beskrevet af enkle, empiriske modeller. Det er uklart på, hvilke punkter disse antagelser bryder sammen, og om det betyder noget for applikationer til kvanteenheder.
For at udforske systemer med et stort antal Magnons til stede brugte Rani og hendes kolleger i forskningsgruppen i Illinois Physics -professor Wolfgang Pfaff en enhed kaldet en superledende qubit – en kvanteberegningskomponent, hvis følsomhed over for elektriske felter også gør det nyttigt til præcisionsmåling. De forbandt den til Magnon -enheden, som er følsom over for magnetiske felter, med et mikrobølgehulrum, hvor elektromagnetiske bølger letter omdannelse mellem elektriske og magnetiske felter.
Eksperimentet gjorde det muligt for forskerne at udforske Magnon -dynamikken med to teknikker. Den første, spredende frekvensskift, drager fordel af et forhold mellem antallet af tilstedeværende Magnons og den superledende Qubs driftsfrekvens. Dette gjorde det muligt for forskerne at finde ud af antallet af Magnons, der var til stede med en fejl på 0,5%.
Den anden, parametrisk pumpning, kan bruges til midlertidigt at skabe en interaktion mellem quubit og magnonerne og kontrollere dens styrke. Dette gav en anden måling af antallet af tilstedeværende Magnons, og det gjorde det muligt at spore henfald af Magnon -excitationerne.
“Parametrisk pumpning er især tiltalende, fordi det giver os mulighed for nøjagtigt at udforske Magnon -dynamikken, når systemet udvikler sig i tide, og det gør det på en måde, der ikke nedbryder den superledende quubit -sensor,” sagde Rani. “Det er en fleksibel, integreret tilgang, der er ideel til overvågning af Magnon Dynamics.”
Materialet, der blev undersøgt af forskerne i denne undersøgelse, Yttrium-Iron-Garnet, udviste lineær opførsel med velforståede dæmpningsegenskaber på op til 2.000 Magnon-excitationer. Fremtidige undersøgelser kunne undersøge mere magnetiske materialer med stærkere excitationer for at undersøge begyndelsen og virkningen af ikke -lineære effekter, hvor Magnons interagerer med hinanden.
“Dette arbejde sætter scenen for nye slags kvanteenheder på to måder,” sagde Pfaff. “For det første viser det på en meget praktisk måde, hvordan vi kan integrere superledende qubits og magnetiske systemer – to platforme, der normalt er meget i strid med hinanden. Og for det andet giver det os mulighed for at ‘screene’ magnetiske systemer for ikke -idealiteter, der vil kompromittere ydelsen af en kvanteindretning.”