Устройства, использующие коллективное квантовое поведение спиновых возбуждений в магнитных материалах, известных как магноны, могут улучшить квантовые вычислительные устройства. Однако для использования магнонов в квантовых устройствах необходимо глубокое понимание их природы и ограничений.
Новая экспериментальная техника
Исследователи из колледжа инженерии Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне [University of Illinois Urbana-Champaign] использовали сверхпроводящие кубиты для детального изучения поведения магнонов в ранее неизведанных режимах. Они опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Applied.
Они обнаружили, что высоковозбуждённое поведение магнонов в ферромагнитных материалах можно точно охарактеризовать, связав материал со сверхпроводящим кубитом через микроволновую полость. Эта установка позволила исследователям определить как количество магнонов, так и их время жизни при наличии тысяч возбуждений — режим, который ранее не был хорошо изучен.
Потенциал для квантовых вычислений
Сона Ран, ведущий автор исследования, говорит: «Чтобы магнонные системы были полезны в приложениях для квантовых вычислений, необходимо правильно понимать ограничения. Проблема в том, что нет хорошей теории, объясняющей, когда определённые эффекты становятся важными, и можем ли мы ожидать, что они приведут к негативным последствиям».
Эксперимент показывает, что сверхпроводящие кубиты можно использовать в качестве гибких детекторов для изучения магнонов в магнитных системах в широком диапазоне. Это перспективно как для квантовых вычислений, так и для фундаментальной науки.
Функциональность магнонных устройств
Магнонные устройства могут улучшить квантовые компьютеры за счёт таких функций, как невзаимность (однонаправленный поток информации) и трансдукция (преобразование между различными рабочими частотами для разных систем).
Эти функции предполагают линейное поведение магнонов, то есть отсутствие взаимодействия между возбуждениями в материале и их затухание, хорошо описываемое простыми эмпирическими моделями. Неясно, в какой момент эти предположения нарушаются и имеет ли это значение для приложений квантовых устройств.
Для изучения систем с большим количеством магнонов исследователи использовали сверхпроводящий кубит — компонент квантовых вычислений, чувствительность которого к электрическим полям также делает его полезным для точных измерений. Они подключили его к магнонному устройству, чувствительному к магнитным полям, с помощью микроволновой полости, в которой электромагнитные волны облегчают преобразование между электрическими и магнитными полями.
Методы исследования
Эксперимент позволил исследователям изучить динамику магнонов с помощью двух методов:
1. Дисперсионный частотный сдвиг использует взаимосвязь между количеством присутствующих магнонов и частотой работы сверхпроводящего кубита. Это позволило исследователям точно определить количество присутствующих магнонов с погрешностью 0,5 %.
2. Параметрическая накачка может быть использована для временного создания взаимодействия между кубитом и магнонами и контроля его силы. Это позволило провести ещё одно измерение количества присутствующих магнонов и отследить затухание магнонных возбуждений.
Параметрическая накачка особенно привлекательна, поскольку позволяет точно исследовать динамику магнонов по мере развития системы во времени, не ухудшая при этом чувствительный элемент — сверхпроводящий кубит.
Перспективы
Материал, исследованный в этом исследовании, — иттрий-железо-гранат, продемонстрировал линейное поведение с хорошо изученными характеристиками демпфирования до 2000 магнонных возбуждений. Будущие исследования могут изучить другие магнитные материалы с более сильными возбуждениями, чтобы изучить начало и влияние нелинейных эффектов, при которых магноны взаимодействуют друг с другом.
«Эта работа закладывает основу для новых видов квантовых устройств двумя способами, — говорит Пфафф. — Во-первых, она показывает на практическом примере, как мы можем интегрировать сверхпроводящие кубиты и магнитные системы — две платформы, которые обычно очень сильно расходятся друг с другом. И во-вторых, это позволяет нам «отсеивать» магнитные системы на наличие неоптимальностей, которые могут ухудшить производительность квантового устройства».
Источник: University of Illinois Grainger College of Engineering.