Магнитные взаимодействия могут указывать на миниатюрные квантовые устройства.

От аппаратов МРТ до компьютерных жестких дисков — магнетизм сыграл важную роль в ключевых открытиях, которые изменили наше общество. В новой области квантовых вычислений магнитные взаимодействия могут играть роль в передаче квантовой информации.

В новом исследовании Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США ученые достигли эффективной квантовой связи между двумя удаленными магнитными устройствами, которые могут содержать определенный тип магнитных возбуждений, называемых магнонами. Эти возбуждения происходят, когда электрический ток генерирует магнитное поле. Связь позволяет магнонам обмениваться энергией и информацией. Этот вид связи может быть полезен для создания новых устройств квантовых информационных технологий.

«Дистанционная связь магнонов — это первый шаг или почти необходимое условие для выполнения квантовой работы с магнитными системами», — сказал старший научный сотрудник Аргонны Валентин Новосад, автор исследования. «Мы показываем способность этих магнонов мгновенно общаться друг с другом на расстоянии».

Эта мгновенная связь не требует отправки сообщения между магнонами, ограниченными скоростью света. Это аналогично тому, что физики называют квантовой запутанностью.

Следуя результатам исследования 2019 года, исследователи стремились создать систему, которая позволила бы магнитным возбуждениям общаться друг с другом на расстоянии в сверхпроводящей цепи. Это позволило бы магнонам потенциально стать основой квантового компьютера. Для основы жизнеспособного квантового компьютера исследователям нужно, чтобы частицы были связаны и оставались связанными в течение длительного времени.

Чтобы добиться сильного эффекта связи, исследователи построили сверхпроводящую цепь и использовали две маленькие магнитные сферы из железо-иттриевого граната (ЖИГ), встроенные в цепь. Этот материал, который поддерживает магнонные возбуждения, обеспечивает эффективную связь с малыми потерями для магнитных сфер.

Обе сферы магнитно связаны с общим сверхпроводящим резонатором в цепи, который действует как телефонная линия, создавая сильную связь между двумя сферами, даже когда они находятся почти в сантиметре друг от друга — расстояние, в 30 раз превышающее их диаметры.

«Это значительное достижение», — сказал аргоннский материаловед Йи Ли, ведущий автор исследования. «Подобные эффекты также можно наблюдать между магнонами и сверхпроводящими резонаторами, но на этот раз мы сделали это между двумя магнонными резонаторами без прямого взаимодействия. Связь возникает из-за косвенного взаимодействия между двумя сферами и общим сверхпроводящим резонатором».

Еще одно улучшение по сравнению с исследованием 2019 года связано с более длительной когерентностью магнонов в магнитном резонаторе. «Если говорить в пещере, то можно услышать эхо», — сказал Новосад. «Чем дольше длится это эхо, тем дольше когерентность».

«Раньше мы определенно видели связь между магнонами и сверхпроводящим резонатором, но в этом исследовании время их когерентности намного больше из-за использования сфер, поэтому мы можем увидеть свидетельства того, что отдельные магноны разговаривают друг с другом», — Ли добавлен.

По словам Ли, поскольку магнитные спины в устройстве сильно сконцентрированы, исследование может указать на миниатюрные квантовые устройства. «Возможно, крошечные магниты могут хранить секрет новых квантовых компьютеров», — сказал он.

Магнонные устройства были изготовлены в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском объекте Министерства энергетики США.

Статья, основанная на исследовании, была опубликована в Physical Review Letters.