L'informatique quantique promet de révolutionner la façon dont les scientifiques peuvent traiter et manipuler l'information. Les fondements physiques et matériels des technologies quantiques sont encore à l'étude, et les chercheurs continuent de rechercher de nouvelles façons de manipuler et d'échanger les informations au niveau quantique.

Dans une étude récente, Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont créé un circuit supraconducteur miniaturisé à base de puces qui couple des ondes quantiques de spins magnétiques appelés magnons à des photons d'énergie équivalente. Grâce au développement de cette approche "sur puce" qui marie magnétisme et supraconductivité pour la manipulation de l'information quantique, cette découverte fondamentale pourrait aider à jeter les bases des futurs progrès de l'informatique quantique.

Les magnons émergent dans des systèmes magnétiquement ordonnés sous forme d'excitations au sein d'un matériau magnétique qui provoquent une oscillation des directions de magnétisation au niveau de chaque atome du matériau, un phénomène appelé onde de spin. "Vous pouvez penser à cela comme à un ensemble d'aiguilles de boussole qui sont toutes reliées magnétiquement entre elles, " a déclaré Valentine Novosad, scientifique en matériaux d'Argonne, un auteur de l'étude. "Si vous en donnez un dans une direction particulière, cela provoquera une vague qui se propagera à travers le reste."

Tout comme les photons de lumière peuvent être considérés à la fois comme des ondes et des particules, les magnons aussi. "L'onde électromagnétique représentée par un photon est équivalente à l'onde de spin représentée par un magnon - les deux sont des analogues l'un de l'autre, " a déclaré Yi Li, chercheur postdoctoral à Argonne, autre auteur de l'étude.

Parce que les photons et les magnons partagent une relation si étroite les uns avec les autres, et les deux contiennent une composante de champ magnétique, les scientifiques d'Argonne ont cherché un moyen de coupler les deux. Les magnons et les photons « se parlent » à travers une cavité micro-onde supraconductrice, qui transporte des photons micro-ondes d'énergie identique à l'énergie des magnons dans les systèmes magnétiques qui pourraient lui être couplés.

L'utilisation d'un résonateur supraconducteur à géométrie coplanaire s'est avérée efficace car elle a permis aux chercheurs de transmettre un courant micro-onde à faible perte. En outre, cela leur a également permis de définir commodément la fréquence des photons pour le couplage aux magnons.

"En associant la bonne longueur de résonateur à la bonne énergie de nos magnons et photons, nous créons essentiellement une sorte de chambre d'écho pour l'énergie et l'information quantique, " a déclaré Novosad. " Les excitations restent dans le résonateur beaucoup plus longtemps, et quand il s'agit de faire de l'informatique quantique, ce sont les moments précieux pendant lesquels nous pouvons effectuer des opérations."

Parce que les dimensions du résonateur déterminent la fréquence du photon micro-onde, des champs magnétiques sont nécessaires pour régler le magnon pour lui correspondre.

"Vous pouvez penser à cela comme à l'accord d'une guitare ou d'un violon, " a déclaré Novosad. " La longueur de votre chaîne - dans ce cas, notre résonateur de photons - est fixe. Indépendamment, pour les magnons, nous pouvons accorder l'instrument en ajustant le champ magnétique appliqué, ce qui revient à modifier la quantité de tension sur la corde."

Finalement, Li a dit, la combinaison d'un supraconducteur et d'un système magnétique permet un couplage et un découplage précis du magnon et du photon, présentant des opportunités de manipulation de l'information quantique.

Centre d'Argonne pour les matériaux à l'échelle nanométrique, une installation utilisateur du DOE Office of Science, a été utilisé pour traiter lithographiquement le résonateur.

Un article basé sur l'étude, "Couplage fort entre les magnons et les photons micro-ondes dans les dispositifs à couche mince ferromagnétique-supraconducteur sur puce, " paru dans le numéro du 3 septembre de Lettres d'examen physique et a également été mis en évidence dans la suggestion des éditeurs.