Magnony a kvantové výpočty: Nová metoda měření

Kvantové počítače se stanou výkonnějšími, pokud se naučíme ovládat kolektivní buzení v magnetech – a první krok již byl učiněn.

Zařízení, která využívají kolektivního kvantového chování spinových excitací v magnetických materiálech – nazývaných magnony – by mohla vylepšit kvantové počítače. Abychom je však mohli uvést do praxe, je třeba důkladně porozumět jejich vlastnostem a omezením.

Magnony jsou kvazičástice, které představují kolektivní excitace spinů v magnetickém materiálu. Pokud si atomy představíte jako drobné magnety, magnon je vlna, která probíhá podél těchto magnetů a v určitém pořadí je převrací.

Vědci z Illinoiské univerzity vyvinuli novou metodu: propojili supravodivý qubit s feromagnetickým materiálem pomocí mikrovlnného rezonátoru a byli schopni přesně měřit chování magnonů i při vysokých úrovních excitace – kde se dříve experimenty prováděly jen zřídka.

Výsledky jsou publikovány v časopise Physical Review Applied.

„Pro kvantové výpočty je důležité pochopit, kde se magnonové systémy mýlí,“ říká Sonia Rani, hlavní autorka studie. „Problém je v tom, že neexistuje žádná dobrá teorie, která by předpovídala, kdy se objeví nežádoucí efekty. Náš experiment ukazuje, že supravodivé qubity jsou flexibilním nástrojem pro studium magnonů v širokém rozsahu. To je užitečné jak pro kvantové technologie, tak pro základní vědu.“

Magnonická zařízení by mohla kvantovým počítačům přidat nové funkce:

• Nereciprocita je přenos informací pouze jedním směrem.
• Transdukce – frekvenční převod pro kompatibilitu různých systémů.

To vše ale funguje pouze tehdy, pokud se magnony chovají lineárně – to znamená, že spolu neinteragují a jejich útlum se řídí jednoduchými modely. Zatím není jasné, kdy jsou tyto podmínky porušeny a jak kritické to je.

Pro testování systému s tisíci excitovanými magnony použili Rani a její kolegové ze skupiny profesora Wolfganga Pfaffa supravodivý qubit, součástku kvantového počítače, která slouží také jako ultracitlivý senzor. Propojili ho s magnonovým zařízením pomocí mikrovlnného rezonátoru, kde elektromagnetické vlny přeměňují elektrická pole na magnetická a naopak.

Experiment nám umožnil studovat magnony dvěma způsoby:

1. Disperzní frekvenční posun – závislost frekvence qubitu na počtu magnonů. Chyba měření byla pouze 0,5 %.
2. Parametrické pumpování je dočasné vytvoření interakce mezi qubitem a magnony. To pomohlo sledovat, jak excitace odeznívají.

Parametrické čerpání je obzvláště dobré, protože nám umožňuje pozorovat dynamiku magnonů v reálném čase, aniž by došlo k poškození qubitu, vysvětluje Rani.

Studovaný materiál, yttrium-železitý granát, si zachoval své lineární chování při 2000 XNUMX magnonech. V budoucnu vědci testují další materiály, kde by interakce s magnony mohla být silnější.

„Tato práce otevírá cestu k novým kvantovým zařízením,“ říká Pfaff. „Zaprvé jsme našli způsob, jak kombinovat supravodivé qubity a magnetické systémy, které obvykle spolu moc dobře nefungují. Zadruhé, nyní můžeme testovat materiály, zda jsou vhodné pro kvantové technologie.“

Hlavní hodnota práce spočívá v praktickém testování hypotéz. Teoretici již dlouho tušili, že magnony by mohly být užitečné pro kvantové výpočty, ale bez přesných měření v reálných podmínkách tyto myšlenky zůstaly abstraktní. Nyní:

• Ukázalo se, v jakém rozsahu se magnony chovají předvídatelně.
• Objevila se metoda pro integraci magnonických systémů se supravodivými qubity, což jsou dvě klíčové platformy pro kvantové technologie.

To by mohlo urychlit vytváření hybridních zařízení, kde magnony jsou zodpovědné za přenos informací a qubity za jejich zpracování.

Experiment byl proveden na yttrium-železitém granátu, materiálu s velmi nízkým útlumem. Většina magnetických systémů je však mnohem méně stabilní. Bez testování na „hlučnějších“ materiálech by závěry mohly být příliš optimistické.

Kazaňští vědci dříve vypěstovali ideální filmy pro vytvoření gradientního magnetického materiálu.