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.
Исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн [сообщили](https://link.aps.org/doi/10.1103/6dmm-mnxd) в журнале Physical Review Applied, что высоковозбуждённое поведение магнонов в ферромагнитных материалах можно точно охарактеризовать, связав материал со сверхпроводящим кубитом через микроволновую полость.
Основные выводы исследования
- Методика эксперимента: исследователи использовали сверхпроводящий кубит в качестве гибкого детектора для изучения магнонов в магнитных системах в широком диапазоне.
- Результаты: экспериментальная установка позволила исследователям определить количество магнонов и их время жизни при наличии тысяч возбуждений — режим, который ранее не был хорошо изучен.
- Ограничения: для применения в квантовых вычислениях необходимо лучше понимать ограничения систем магнонов. Проблема заключается в отсутствии хорошей теории о том, когда определённые эффекты становятся важными и могут ли они привести к негативным последствиям.
Перспективы
Магнонные устройства могут расширить функциональность квантовых компьютеров, включая нереципрокность (однонаправленный поток информации) и трандукцию (преобразование между различными рабочими частотами).
Для изучения систем с большим количеством магнонов Рани и её коллеги использовали сверхпроводящий кубит — компонент квантовых вычислений, чувствительность которого к электрическим полям также делает его полезным для точных измерений. Они соединили его с магнонным устройством, чувствительным к магнитным полям, с помощью микроволновой полости, в которой электромагнитные волны способствуют преобразованию между электрическими и магнитными полями.
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 магнонов с погрешностью 0,5%.
2. Параметрическая накачка: позволяет временно создать взаимодействие между кубитом и магнонами и контролировать его силу. Это предоставило ещё одно измерение количества присутствующих магнонов и позволило отслеживать затухание магнонных возбуждений.
Материал, исследованный в этом исследовании, — иттрий-железо-гарнт, демонстрировал линейное поведение с хорошо изученными характеристиками демпфирования до 2000 магнонных возбуждений. Будущие исследования могут изучить другие магнитные материалы с более сильными возбуждениями, чтобы изучить возникновение и влияние нелинейных эффектов, где магноны взаимодействуют друг с другом.
«Эта работа закладывает основу для новых видов квантовых устройств двумя способами, — сказал Пфафф. — Во-первых, она показывает на очень практическом примере, как мы можем интегрировать сверхпроводящие кубиты и магнитные системы — две платформы, которые обычно очень сильно расходятся друг с другом. И, во-вторых, она позволяет нам «отсеивать» магнитные системы на наличие неоптимальных характеристик, которые могут ухудшить производительность квантового устройства».
Источник: [University of Illinois Grainger College of Engineering](https://phys.org/partners/university-of-illinois-grainger-college-of-engineering/)