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

来源：cnBeta.COM 时间：2022-04-04 09:05:00

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”。

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