HZDR的研究人员设法在磁盘中产生类似波的激发 - 所谓的磁振子 - 以专门操纵碳化硅中的原子大小的量子比特。这可能为量子网络中的信息转导开辟新的可能性。图片来源：HZDR / Mauricio Bejarano
量子计算机有望解决当今人类面临的一些最具挑战性的问题。虽然量子信息的计算引起了很多关注，但量子网络内的信息转导对于实现这项新技术的潜力同样至关重要。
为了满足这一需求，亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）的一个研究小组现在正在引入一种转换量子信息的新方法。该团队通过利用磁振子的磁场（磁性材料中的波状激发）来操纵量子比特，即所谓的量子比特，这些磁振子发生在微观磁盘内。研究人员在《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果。
构建可编程的通用量子计算机是我们这个时代最具挑战性的工程和科学工作之一。这种计算机的实现在物流、金融和制药等不同行业领域具有巨大的潜力。然而，实用量子计算机的构建一直受到该技术中信息存储和处理方式的内在脆弱性的阻碍。量子信息以量子比特编码，量子比特极易受到环境中的噪声影响。微小的热波动，几分之一度，可能会完全破坏计算。
这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构建块中，以降低错误率，并利用其成分的互补优势。
“然而，这带来了在模块之间以信息不会丢失的方式传输量子信息的问题，”该出版物的第一作者HZDR研究员Mauricio Bejarano说。“我们的研究恰恰在于这个特定的利基市场，即不同量子模块之间的通信。
目前建立的传输量子信息和寻址量子比特的方法是通过微波天线。这是谷歌和IBM在其超导芯片中使用的方法，该技术平台在这场量子竞赛中处于最前沿。
“另一方面，我们用磁振子来解决量子比特，”HZDR物理学家Helmut Schultheiss说，他负责监督这项工作。“这些可以被认为是穿过磁性材料的磁激发波。这里的优点是磁振子的波长在微米范围内，明显短于传统微波技术的厘米波。因此，磁振子的微波足迹在芯片中占用的空间更少。
精密分频器HZDR小组研究了碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的磁振子和量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用的大功率电子材料。这种类型的量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是在空缺的自旋状态下编码的。但是如何利用磁振子来控制这些类型的量子比特呢？
“通常，磁振子是用微波天线产生的。这带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动器与来自磁振子的微波驱动器分开，“Bejarano解释说。
为了将微波与磁振子隔离开来，HZDR团队使用了一种奇异的磁现象，这种现象可以在镍铁合金的微观磁盘中观察到。
“由于非线性过程，圆盘内的一些磁振子的频率远低于天线的驱动频率。我们只用这些低频磁振子来操纵量子比特，“该研究说。
研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。然而，他们表明，仅用磁振子处理量子比特从根本上是可行的。
利用磁振子的力量“迄今为止，量子工程界还没有意识到磁振子可以用来控制量子比特，”Schultheiss强调说。“但是我们的实验表明，这些磁波确实是有用的。
为了进一步发展他们的方法，该团队已经在为他们的未来计划做准备：他们希望尝试以这样一种方式控制几个紧密间隔的单个量子比特，即磁振子介导它们的纠缠过程——这是执行量子计算的先决条件。
他们的愿景是，从长远来看，磁振子可以被直流电流精确地激发，以至于它们专门和专门地处理量子比特数组中的单个量子比特。这将使使用磁振子作为可编程量子总线以极其有效的方式寻址量子比特成为可能。虽然未来还有很多工作要做，但该小组的研究强调，将磁力系统与量子技术相结合可以为未来开发实用的量子计算机提供有用的见解。
更多信息： Mauricio Bejarano 等人，参数磁振子转导到自旋量子比特，科学进展 （2024）。DOI： 10.1126/sciadv.adi2042.www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2042
