Исследователи определили, как использовать магноны — коллективные вибрации магнитных спинов атомов — для информационных технологий нового поколения, включая квантовые технологии с магнитными системами.
Магнитные технологии в нашей жизни
Магнетизм лежит в основе многих прорывных технологий: от компьютерных жёстких дисков, на которых хранятся наши данные, до моторов и двигателей, приводящих в действие электростанции. Ожидается, что магнитные материалы будут играть ещё более важную роль в новых технологиях: передаче и обработке квантовой информации, а также в разработке квантовых компьютеров.
Новый подход к управлению магнитными свойствами атомов
Команда учёных из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработала подход к управлению коллективными магнитными свойствами атомов в реальном времени. Это потенциально может быть использовано для информационных технологий нового поколения.
Открытие может помочь в разработке будущих квантовых компьютеров, которые способны выполнять задачи, невозможные для современных компьютеров, а также в создании технологий «на чипе» — с магнитными системами, встроенными в полупроводниковые чипы.
Как это работает
Команда Аргоннской лаборатории использовала два небольших магнитных шара из материала под названием иттрий-железный гранат. Они соединили шары на чипе с помощью сверхпроводящего резонатора. Эта установка позволила учёным отправлять и получать магнонные сигналы между двумя удалёнными шарами.
Учёные отправили один импульс энергии, который перемещался между двумя шарами синхронно. Это колебание показало, что энергия может передаваться «когерентно» или по хорошо понятной схеме между шарами, подобно ясному телефонному разговору между двумя людьми, говорящими издалека.
Исследователи обнаружили, что если через магнитную чип-установку отправить два энергетических импульса, импульсы либо взаимно усиливают друг друга, либо один импульс гасит другой, в зависимости от временной задержки между ними. Эти результаты показали, что магноны могут интерферировать друг с другом, подобно тому как волны на воде создают узоры при наложении.
Кроме того, команда обнаружила, что это свойство интерференции сохраняется, поскольку два шара способны оставаться магнитно «связанными», то есть способными сохранять энергию от импульсов, перемещающихся между ними. Это похоже на то, как квантовое состояние может передаваться между двумя кубитами — или квантовыми битами — в квантовом компьютере.
Перспективы
Учёные создали сложные интерференционные узоры, отправив несколько энергетических импульсов. Это показывает потенциал для сложных операций передачи сигналов с использованием магнонов.
Результаты команды показали, что магнитное возбуждение в их чиповой установке достигло того, что Ли назвал «почти идеальной интерференцией» — ключевым требованием для использования потенциала магнонов в различных условиях. Их подход может открыть новые способы обработки информации с помощью магнонов, что повлияет на разработку квантовых компьютеров и других передовых технологий.
Использование магнитных материалов для обработки квантовой информации может наделить квантовый компьютер дополнительными функциями, специфичными для этих систем. Например, магнитные материалы могут быть использованы для создания на чипе изоляторов, которые помогают подавлять квантовый «шум» и улучшать чёткость в квантовом компьютере. Они также могут преобразовывать микроволновые сигналы в оптические, что имеет решающее значение для соединения различных частей квантовой системы.
Это исследование основано на предыдущих работах, опубликованных в 2019 и 2022 годах, и направлено на дальнейшее изучение способов соединения намагниченности и сверхпроводимости, а также управления магнонами в сферах из иттрий-железного граната для хранения информации и выполнения сложных задач по обработке информации.
Магнонные устройства были изготовлены в Центре наномасштабных материалов, объекте Министерства энергетики США в Аргонне.
Предоставлено Аргоннской национальной лабораторией.