站长之家 - 业界 2022-04-02 15:00

超导电路介导的远程磁振子相干耦合 有望推动量子计算设备的小型化

从核磁共振成像(MRI)到计算机硬盘存储,磁性在我们的科技应用中发挥了许多关键的作用。不过在新兴的量子计算领域,磁相互作用也有望助推量子信息的传递。在 1 月 24 日发表于《物理评论快报》上的一篇文章中,研究人员介绍了美国能源部旗下阿贡国家实验室的一项新成果。

研究配图 - 1:超导电路上的微波介导远距离磁振子耦合

据悉,科学家们已经实现了两个遥远的磁性设备之间的有效量子耦合,这些设备能够承载基于磁振子的激发。

当电流产生磁场时,就会有激发。而允许磁振子交换能量和信息的耦合,有望催生新颖的量子信息技术设备。

阿贡国家实验室高级科学家 Valentine Novosad 表示:“磁振子的远程耦合,是使用磁系统开展量子工作的第一步或先决条件,而我们展示了这些磁振子在远距离下的相互即时交流能力”。

值得一提的是,这些即时通讯无需在受光速限制的磁振子之间发送消息,类似于物理学家常说的“量子纠缠”。

研究配图 - 2:带有额外局部 NbTi 超导线圈的双 YIG 球电路设计示意

在 2019 年的一项研究基础上,实验室团队试图打造一套新的系统,特点是通过磁激励、在远距离的超导电路中实现相互交流。

如上图所示,研究团队展示了一种远程磁控管耦合电路,包含了两个被嵌入 NbN 共面超导谐振器中的单晶 YIG 球,而微波光子可介导磁振子的相互作用。

不过在用磁振子奠定某种量子计算的基础之前,科学家们还需展开一系列的可行性研究,尤其是需要长时间维持粒子的耦合。

为增强耦合效应,该团队构想了这样一种超导电路,并通过嵌入两个磁激发用的小型钇铁石榴石(YIG)磁球,以确保高效、低损耗的耦合。

研究配图 - 3:远程磁振子耦合的功率谱

两个球体都磁耦合到了电路中的一个共享超导谐振器,它就像电话线一样在两个球体之间产生强耦合 —— 即使两者的距离达到了直径的 30 倍(本例中彼此相距近 1 厘米)。

研究一作、阿贡材料科学家 Yi Li 表示:“这是一项重大的成就,虽然我们能够在磁振子和超导谐振器之间观察到类似的效果,但这次却是在没有直接相互作用的连个磁振子谐振器之间发生的”。

换言之,耦合来自两个球体与共享超导谐振器之间的间接相互作用。此外在 2019 年的另一项研究中,科学家们也有提到改进磁共振器中的磁振子的更长相干性。

研究配图 - 4:微波光子介导的磁振子耦合强度

Valentine Novosad 解释称:“在山洞里讲话的时候,有可能会听到回声。回声持续的时间越长,其连贯性也就越长”。

Yi Li 补充道:“此前我们我们以肯定地看到了磁振子与超导谐振器之间的关系,但在这项新研究中,由于使用了球体,它们的想干时间要长得多,这也是为何我们看到了相隔的磁振子间的相互交谈证据”。

最后,由于磁自旋高度集中在设备中,这项研究有望极大地推动量子设备的小型化 ——“微型磁体有可能隐含着新型量子计算机的重大秘密”。

推荐关键词

24小时热搜

查看更多内容

大家正在看