超導電路介導的遠程磁振子相干耦合 有望推動量子計算設備的小型化

研究配圖 - 1：超導電路上的微波介導遠距離磁振子耦合

據悉，科學家們已經實現了兩個遙遠的磁性設備之間的有效量子耦合，這些設備能夠承載基于磁振子的激發。

當電流產生磁場時，就會有激發。而允許磁振子交換能量和信息的耦合，有望催生新穎的量子信息技術設備。

阿貢國家實驗室高級科學家 Valentine Novosad 表示：“磁振子的遠程耦合，是使用磁系統開展量子工作的第一步或先決條件，而我們展示了這些磁振子在遠距離下的相互即時交流能力”。

值得一提的是，這些即時通訊無需在受光速限制的磁振子之間發送消息，類似于物理學家常說的“量子糾纏”。

研究配圖 - 2：帶有額外局部 NbTi 超導線圈的雙 YIG 球電路設計示意

在 2019 年的一項研究基礎上，實驗室團隊試圖打造一套新的系統，特點是通過磁激勵、在遠距離的超導電路中實現相互交流。

如上圖所示，研究團隊展示了一種遠程磁控管耦合電路，包含了兩個被嵌入 NbN 共面超導諧振器中的單晶 YIG 球，而微波光子可介導磁振子的相互作用。

不過在用磁振子奠定某種量子計算的基礎之前，科學家們還需展開一系列的可行性研究，尤其是需要長時間維持粒子的耦合。

為增強耦合效應，該團隊構想了這樣一種超導電路，并通過嵌入兩個磁激發用的小型釔鐵石榴石（YIG）磁球，以確保高效、低損耗的耦合。

研究配圖 - 3：遠程磁振子耦合的功率譜

兩個球體都磁耦合到了電路中的一個共享超導諧振器，它就像電話線一樣在兩個球體之間產生強耦合 —— 即使兩者的距離達到了直徑的 30 倍（本例中彼此相距近 1 厘米）。

研究一作、阿貢材料科學家 Yi Li 表示：“這是一項重大的成就，雖然我們能夠在磁振子和超導諧振器之間觀察到類似的效果，但這次卻是在沒有直接相互作用的連個磁振子諧振器之間發生的”。

換言之，耦合來自兩個球體與共享超導諧振器之間的間接相互作用。此外在 2019 年的另一項研究中，科學家們也有提到改進磁共振器中的磁振子的更長相干性。

研究配圖 - 4：微波光子介導的磁振子耦合強度

Valentine Novosad 解釋稱：“在山洞里講話的時候，有可能會聽到回聲。回聲持續的時間越長，其連貫性也就越長”。

Yi Li 補充道：“此前我們我們以肯定地看到了磁振子與超導諧振器之間的關系，但在這項新研究中，由于使用了球體，它們的想干時間要長得多，這也是為何我們看到了相隔的磁振子間的相互交談證據”。

最后，由于磁自旋高度集中在設備中，這項研究有望極大地推動量子設備的小型化 ——“微型磁體有可能隱含著新型量子計算機的重大秘密”。