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科学家将磁化耦合到超导的量子发现

2019-09-07 09:02:23 • 来源：

量子计算有望彻底改变科学家处理和操纵信息的方式。量子技术的物理和物质基础仍在探索中，研究人员继续寻找可以在量子水平上操纵和交换信息的新方法。

科学家将磁化耦合到超导的量子发现

在最近的一项研究中，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家创造了一种小型化的基于芯片的超导电路，它将称为磁子的磁自旋量子波耦合到等效能量的光子上。通过开发这种结合磁性和超导性来控制量子信息的“片上”方法，这一基本发现有助于为量子计算的未来发展奠定基础。

磁子在磁性有序系统中出现，作为磁性材料内的激发，引起材料中每个原子的磁化方向的振荡 - 称为自旋波的现象。“你可以把它想象成一组罗盘针，这些罗盘针都是磁性连接在一起的，”该研究的作者，阿贡贡材料科学家Valentine Novosad说。“如果你向一个特定的方向踢一个，它将导致一个波浪传播到其余的方向。”

就像光子的光子可以被认为是波浪和粒子一样，磁铁也是如此。“由光子代表的电磁波相当于由一个磁镜代表的自旋波- 两者是彼此的类似物，”该研究的另一位作者阿尔贡博士后研究员易力说。

由于光子和磁子彼此之间有着如此密切的关系，并且都包含磁场成分，因此阿贡科学家们寻求将两者结合在一起的方法。磁子和光子通过超导微波腔相互“交谈”，超导微波腔携带的微波光子的能量与可与之配对的磁系统中的磁子能量相同。

使用具有共面几何结构的超导谐振器被证明是有效的，因为它允许研究人员以低损耗传输微波电流。此外，它还允许它们方便地定义光子的频率以耦合到磁子。

“通过将正确长度的谐振器与我们的磁子和光子的正确能量配对，我们实质上创造了一种能量和量子信息的回声室，”Novosad说。“激励器在谐振器中停留的时间要长得多，而且在进行量子计算时，这些都是我们进行操作的宝贵时刻。”

因为谐振器的尺寸决定了微波光子的频率，所以需要磁场来调整磁振子以匹配它。

“你可以把它想象成调整吉他或小提琴，”Novosad说。“你的弦的长度 - 在这种情况下，我们的光子谐振器 - 是固定的。独立地，对于磁子，我们可以通过调整施加的磁场来调整乐器，这类似于修改弦上的张力量。 “

最终，李说，超导和磁系统的结合允许磁子和光子的精确耦合和去耦，为操纵量子信息提供了机会。

Argonne的纳米材料中心是DOE科学用户设施办公室，用于光刻处理谐振器。

基于这项研究的论文“片上铁磁体 - 超导体薄膜器件中的磁子和微波光子之间的强耦合”出现在9月3日出版的“ 物理评论快报”中，并在编辑建议中也得到了强调。

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