Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha recentemente finanziato sia l'Argonne National Laboratory del DOE che l'Università dell'Illinois Champaign-Urbana (UIUC) in un nuovo progetto relativo alla scienza dell'informazione quantistica. Il team di Argonne porterà al progetto la sua esperienza nell'accoppiamento di sistemi magnetici e superconduttori. Il team UIUC contribuirà con le sue capacità di livello mondiale per lo sviluppo di nuovi materiali magnetici per i sistemi quantistici.

"La scienza dell'informazione quantistica promette modi nuovi e diversi in cui gli scienziati possono elaborare e manipolare le informazioni per il rilevamento, trasferimento dati e informatica, " disse Valentino Novosad, uno scienziato senior nella divisione di scienza dei materiali di Argonne. "UIUC è un partner perfetto per noi per realizzare scoperte rivoluzionarie in quest'area".

Nel campo emergente della scienza dell'informazione quantistica, le microonde possono svolgere un ruolo fondamentale perché le loro proprietà fisiche consentono loro di fornire la funzionalità quantistica desiderata a temperature vicine allo zero assoluto (meno 460 gradi Fahrenheit), una necessità perché il calore crea errori nelle operazioni quantistiche. Però, le microonde sono sensibili al rumore, che è energia indesiderata che disturba il segnale e la trasmissione dei dati.

Il team di ricerca esplorerà se i magnoni possano collaborare con i fotoni a microonde per garantire che le microonde possano viaggiare solo in una direzione, eliminando sostanzialmente il rumore. I Magnon sono le eccitazioni fondamentali dei magneti. Al contrario, i fotoni a microonde risultano da eccitazioni elettroniche che producono onde come quelle di un forno a microonde.

Gli scienziati di Argonne si baseranno sui loro precedenti sforzi per creare un circuito superconduttore integrato con elementi magnetici. I magnoni ei fotoni parlano tra loro attraverso questo dispositivo superconduttore. La superconduttività, la completa assenza di resistenza elettrica, consente l'accoppiamento di magnoni e fotoni a microonde vicino allo zero assoluto.

"Questa capacità offre opportunità uniche per manipolare le informazioni quantistiche, " ha spiegato Yi Li, un incaricato post-dottorato nella divisione Scienza dei materiali di Argonne.

Nel passato, Argonne ha svolto un ruolo importante nello sviluppo di rivelatori e sensori superconduttori per comprendere il funzionamento dell'universo al livello più fondamentale. "Beneficeremo delle preziose conoscenze acquisite in questi progetti di grande successo in cosmologia e fisica delle particelle, " ha detto Novosad.

I ricercatori dell'UIUC cercheranno magneti che funzionino a temperature ultrafredde. Testeranno sistemi di materiali noti e nuovi per trovare candidati in grado di gestire un ambiente ultrafreddo e operare in un vero dispositivo quantistico.

"Molti magneti funzionano bene con le microonde a temperatura ambiente", ha affermato Axel Hoffmann, Professore fondatore in Ingegneria all'UIUC e capofila di questo progetto. "Abbiamo bisogno di materiali che funzionino bene anche a temperature molto più basse, che possono cambiare completamente le loro proprietà."

"Se avremo successo in questi tre anni, avremo strutture magnetiche direttamente integrate con circuiti quantistici, " Ha detto Hoffmann. "Questo lavoro potrebbe applicarsi anche a dispositivi non quantistici per il rilevamento e la comunicazione, come nelle tecnologie Wi-Fi o Bluetooth."

Questo nuovo progetto è un altro esempio di come Argonne e UIUC stanno aprendo la strada verso un futuro quantistico. Argonne non solo conduce ricerche interdisciplinari all'interno del suo ampio portafoglio di progetti QIS, ma guida anche Q-NEXT, uno dei cinque centri di ricerca QIS DOE istituiti nell'agosto 2020. Allo stesso modo, UIUC supporta una vasta gamma di progetti di informazione quantistica, come Q-NEXT, attraverso l'Illinois Quantum Information Science and Technology (IQUIST) Center.