L'informatica quantistica promette di rivoluzionare i modi in cui gli scienziati possono elaborare e manipolare le informazioni. Le basi fisiche e materiali per le tecnologie quantistiche sono ancora in fase di esplorazione, e i ricercatori continuano a cercare nuovi modi in cui le informazioni possono essere manipolate e scambiate a livello quantistico.

In un recente studio, scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory hanno creato un circuito superconduttore miniaturizzato basato su chip che accoppia onde quantistiche di spin magnetici chiamati magnoni a fotoni di energia equivalente. Attraverso lo sviluppo di questo approccio "on chip" che coniuga magnetismo e superconduttività per la manipolazione dell'informazione quantistica, questa scoperta fondamentale potrebbe aiutare a gettare le basi per futuri progressi nell'informatica quantistica.

I magnoni emergono in sistemi ordinati magneticamente come eccitazioni all'interno di un materiale magnetico che causano un'oscillazione delle direzioni di magnetizzazione in corrispondenza di ciascun atomo nel materiale, un fenomeno chiamato onda di spin. "Puoi immaginarlo come avere una serie di aghi di bussola che sono tutti collegati magneticamente insieme, " ha detto lo scienziato dei materiali di Argonne Valentine Novosad, un autore dello studio. "Se ne prendi a calci uno in una direzione particolare, causerà un'onda che si propaga attraverso il resto."

Proprio come i fotoni di luce possono essere pensati sia come onde che come particelle, così anche i magnon. "L'onda elettromagnetica rappresentata da un fotone è equivalente all'onda di spin rappresentata da un magnon:i due sono analoghi l'uno dell'altro, " ha detto il ricercatore postdottorato di Argonne Yi Li, un altro autore dello studio.

Poiché fotoni e magnoni condividono una relazione così stretta tra loro, ed entrambi contengono un componente del campo magnetico, gli scienziati di Argonne hanno cercato un modo per accoppiare i due insieme. I magnoni e i fotoni "parlano" tra loro attraverso una cavità a microonde superconduttiva, che trasporta fotoni a microonde con un'energia identica all'energia dei magnoni nei sistemi magnetici che potrebbero esservi accoppiati.

L'utilizzo di un risonatore superconduttore con una geometria complanare si è dimostrato efficace perché ha permesso ai ricercatori di trasmettere una corrente a microonde con basse perdite. Inoltre, ha anche permesso loro di definire convenientemente la frequenza dei fotoni per l'accoppiamento ai magnoni.

"Accoppiando la giusta lunghezza del risonatore con la giusta energia dei nostri magnoni e fotoni, in sostanza stiamo creando una sorta di camera di risonanza per l'energia e le informazioni quantistiche, " ha detto Novosad. "Le eccitazioni rimangono nel risonatore per un periodo di tempo molto più lungo, e quando si tratta di fare informatica quantistica, questi sono i momenti preziosi durante i quali possiamo eseguire le operazioni."

Poiché le dimensioni del risonatore determinano la frequenza del fotone a microonde, sono necessari campi magnetici per sintonizzare il Magnon in modo che corrisponda ad esso.

"Puoi pensarlo come accordare una chitarra o un violino, " disse Novosad. "La lunghezza della tua corda, in questo caso, il nostro risonatore di fotoni è fisso. Indipendentemente, per i magnon, possiamo accordare lo strumento regolando il campo magnetico applicato, che è simile a modificare la quantità di tensione sulla corda."

In definitiva, Li ha detto, la combinazione di un sistema superconduttore e magnetico consente un preciso accoppiamento e disaccoppiamento del magnone e del fotone, presentare opportunità per manipolare le informazioni quantistiche.

Centro Argonne per i materiali su scala nanometrica, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, è stato utilizzato per elaborare litograficamente il risonatore.

Un documento basato sullo studio, "Forte accoppiamento tra magnoni e fotoni a microonde in dispositivi a film sottile ferromagnete-superconduttore su chip, " apparso nel numero del 3 settembre di Lettere di revisione fisica ed è stato anche evidenziato nel suggerimento della redazione.