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
日期：
2022-04-06
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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。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”。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。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。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”。
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