Исследователи определили, как использовать магноны — коллективные вибрации магнитных спинов атомов — для информационных технологий нового поколения, включая квантовые технологии с магнитными системами.
Роль магнетизма в технологиях
Магнетизм играет центральную роль во многих прорывных технологиях: от компьютерных жёстких дисков, где хранятся наши данные, до моторов и двигателей, приводящих в действие электростанции. Ожидается, что магнитные материалы будут играть ещё более значительную роль в новых технологиях: передаче и обработке квантовой информации и 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 и потенциально может использовать их для информационных технологий нового поколения. Это 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.
Принцип работы
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 отправить через магнитную чиповую установку 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 друг на друга.
Перспективы использования магнонов
Команда выяснила, 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.
Кроме того, отправляя несколько импульсов энергии, учёные создали сложные интерференционные узоры, подобные появлению света при дифракции на разные лучи. 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.
Возможности магнитных материалов для обработки квантовой информации
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.
Заключение
Эта работа показывает, как магнитные возбуждения могут передаваться удалённо и выполнять интерференционные операции в реальном времени, потенциально принося пользу квантовым вычислениям. Хотя истинный потенциал пока не ясен, она представляет собой прототип модели для будущих исследований.
magnon. The researchers’ method makes it possible to control magnons in real time, harnessing their information-processing potential.”,”\”These capabilities are essential for advancing quantum communication and computing,\” said Yi Li, an Argonne assistant scientist and a lead author of the study reporting these results.”,”Two papers based on the research were published in April in Nature Communications and npj Spintronics.”,”For this research, the scientists used two small magnetic spheres made of a material called yttrium iron garnet. They connected the spheres on a chip with a superconducting resonator. This setup allowed the researchers to send and receive magnon signals between the two distant spheres.”,”The team sent out a single pulse of energy, which traveled back and forth between the two spheres in sync with each other. This oscillation showed that energy can be transferred \”coherently\” or in a well-understood pattern between the spheres, much like a clear telephone conversation between two people speaking from afar.”,”The researchers discovered that if two energy pulses were sent through the magnetic chip setup, the pulses either mutually strengthened each other or one pulse canceled the other, depending on the time delay between them. These findings showed that magnons can interfere with each other, similar to how waves in water can create patterns when they overlap.”,”Additionally, the team found that this interference property persists because the two spheres are able to remain magnetically \”coupled,\” or capable of storing the energy from the pulses traveling between them. This is similar to how a quantum state can transfer between two qubits—or quantum bits—in a quantum computer.”,”Furthermore, by sending multiple energy pulses, the scientists created intricate interference patterns, similar to the appearance of light when diffracted into different beams. This shows the potential for complex signal and transmission operations using magnons.”,”The team’s findings indicated that magnetic excitation in their on-chip setup achieved what Li called \”nearly perfect interference\”—a key requirement for harnessing the potential of magnons in a variety of settings. Their approach could open new ways of processing information using magnons, with implications for the development of quantum computers and other advanced technologies.”,”\”This work shows how magnetic excitations can be transferred remotely and perform interference operations in real time, potentially benefiting quantum computing,\” Li said. \”While the true potential isn’t clear yet, it provides a prototype model for future exploration.\””,”The use of magnetic materials to process quantum information could empower a quantum computer with supplemental functionalities that are specific to those systems. For example, magnetic materials could be used to build on-chip isolators that help suppress quantum \”noise\” and improve clarity in a quantum computer. They could also convert microwave signals into optical signals, which is crucial for connecting different parts of a quantum system.”,”\”There are challenges and opportunities in materials science and understanding physics. This work is about beautiful physics on a chip, involving superconducting circuits and low-damping magnetic materials. It’s a significant piece of work,\” said Argonne Distinguished Fellow Valentine Novosad, a senior materials scientist and another author of the study.”,”This new research builds on previous papers published in 2019 and 2022 to further explore how to couple magnetization and superconductivity, and how magnons in yttrium iron garnet spheres can be manipulated to store information and for sophisticated information-processing tasks.”,”The magnonic devices were fabricated at the Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility at Argonne.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tArgonne National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник