Исследователям из HZDR удалось генерировать волнообразные возбуждения в магнитном диске – так называемые магноны – чтобы специально манипулировать кубитами атомного размера в карбиде кремния. Это может открыть новые возможности для передачи информации в квантовых сетях. Фото: HZDR / Маурисио Бехарано
Исследователи из HZDR разработали новый метод преобразования квантовой информации с помощью магнонов, предлагая многообещающий подход к решению проблем в квантовые вычисленияособенно в повышении стабильности кубита и эффективности связи.
Квантовые компьютеры обещают решить некоторые из наиболее сложных проблем, стоящих сегодня перед человечеством. Хотя много внимания было направлено на вычисление квантовой информации, преобразование информации в квантовых сетях не менее важно для реализации потенциала этой новой технологии.
Чтобы удовлетворить эту потребность, исследовательская группа из Гельмгольц-Центр Дрезден-Россендорф (HZDR) сейчас представляет новый подход к преобразованию квантовой информации: команда манипулировала квантовыми битами, так называемыми кубитами, используя магнитное поле магнонов – волнообразных возбуждений в магнитном материале – которые возникают внутри микроскопических магнитных дисков. Исследователи представили свои результаты в журнале Достижения науки.
Проблемы квантовых технологий
Создание программируемого универсального квантового компьютера является одним из самых сложных инженерных и научных проектов нашего времени. Реализация такого компьютера имеет большой потенциал для различных областей промышленности, таких как логистика, финансы и фармацевтика. Однако созданию практического квантового компьютера препятствует внутренняя хрупкость того, как информация хранится и обрабатывается в этой технологии. Квантовая информация закодирована в кубитах, которые чрезвычайно чувствительны к шуму окружающей среды. Малейшие тепловые колебания, всего лишь доли градуса, могут полностью нарушить расчеты.
Это побудило исследователей распределить функциональные возможности квантовых компьютеров по отдельным строительным блокам, чтобы снизить уровень ошибок и использовать дополнительные преимущества их составляющих. «Однако это создает проблему передачи квантовой информации между модулями таким образом, чтобы информация не пропала», — говорит исследователь HZDR Маурисио Бехарано, первый автор публикации. «Наши исследования лежат именно в этой конкретной нише, обеспечивая связь между отдельными квантовыми модулями».
Продвинутая квантовая связь
В настоящее время установлен метод передачи квантовой информации и адресации кубитов с помощью микроволновых антенн. Именно такой подход используют Google и IBM в своих сверхпроводящих чипах — технологической платформе, стоящей на переднем крае этой квантовой гонки. «Мы, с другой стороны, обращаемся к кубитам с помощью магнонов», — говорит физик HZDR Хельмут Шультайс, руководивший работой.
«Их можно рассматривать как волны магнитного возбуждения, которые проходят через магнитный материал. Преимущество здесь в том, что длина волны магнонов лежит в микрометровом диапазоне и значительно короче сантиметровых волн традиционной микроволновой техники. Следовательно, микроволновый след магнонов занимает меньше места в чипе».
Сложный делитель частоты
Группа HZDR исследовала взаимодействие магнонов и кубитов, образованных вакансиями атомов кремния в кристаллической структуре карбида кремния — материала, обычно используемого в мощной электронике. Такие типы кубитов обычно называют спиновыми, поскольку квантовая информация закодирована в спиновом состоянии вакансии. Но как можно использовать магноны для управления этими типами кубитов?
«Обычно магноны генерируются с помощью микроволновых антенн. Это создает проблему, заключающуюся в том, что очень сложно отличить микроволновый привод, исходящий от антенны, от того, который исходит от магнонов», — объясняет Бехарано.
Чтобы изолировать микроволны от магнонов, команда HZDR использовала экзотическое магнитное явление, наблюдаемое в микроскопических магнитных дисках из никель-железного сплава. сплав. «Из-за нелинейного процесса некоторые магноны внутри диска обладают гораздо более низкой частотой, чем частота возбуждения антенны. Мы манипулируем кубитами только с помощью этих низкочастотных магнонов». Исследовательская группа подчеркивает, что они пока не проводили никаких квантовых расчетов. Однако они показали, что принципиально возможно обращаться к кубитам исключительно магнонами.
Использование силы магнонов
«На сегодняшний день сообщество квантовой инженерии еще не осознало, что магноны можно использовать для управления кубитами», — подчеркивает Шультайс. «Но наши эксперименты показывают, что эти магнитные волны действительно могут быть полезны». Для дальнейшего развития своего подхода команда уже готовится к своим планам на будущее: они хотят попытаться управлять несколькими близко расположенными отдельными кубитами таким образом, чтобы магноны опосредовали процесс их запутанности — необходимое условие для выполнения квантовых вычислений.
Их идея состоит в том, что в долгосрочной перспективе магноны смогут возбуждаться постоянными электрическими токами с такой точностью, что они будут адресованы исключительно одному кубиту в массиве кубитов. Это позволит использовать магноны в качестве программируемой квантовой шины для чрезвычайно эффективной адресации кубитов. Хотя впереди еще много работы, исследования группы показывают, что объединение магнонных систем с квантовыми технологиями может дать полезную информацию для разработки практического квантового компьютера в будущем.
Ссылка: «Параметрическая трансдукция магнонов в спиновые кубиты» Маурисио Бехарано, Франсиско Х. Т. Гонсалвеса, Тони Хаче, Михаэля Холленбаха, Кристофера Хайнса, Тобиаса Хула, Лукаса Кёрбера, Якоба Хайнце, Йондера Беренсена, Манфреда Хельма, Юргена Фассбендера, Георгия В. Астахова и Гельмут Шультайс, 20 марта 2024 г., Достижения науки.
DOI: 10.1126/sciadv.adi2042.