從核磁共振成像（MRI）到計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)，磁性在我們的科技應(yīng)用中發(fā)揮了許多關(guān)鍵的作用。 不過(guò)在新興的量子計(jì)算領(lǐng)域，磁相互作用也有望助推量子信息的傳遞。 在 1 月 24 日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇文章中，研究人員介紹了美國(guó)能源部旗下阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)新成果。

研究配圖 - 1：超導(dǎo)電路上的微波介導(dǎo)遠(yuǎn)距離磁振子耦合

據(jù)悉，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)遙遠(yuǎn)的磁性設(shè)備之間的有效量子耦合，這些設(shè)備能夠承載基于磁振子的激發(fā)。

當(dāng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)有激發(fā)。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(shù)設(shè)備。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家 Valentine Novosad 表示：“磁振子的遠(yuǎn)程耦合，是使用磁系統(tǒng)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(yuǎn)距離下的相互即時(shí)交流能力”。

值得一提的是，這些即時(shí)通訊無(wú)需在受光速限制的磁振子之間發(fā)送消息，類似于物理學(xué)家常說(shuō)的“量子糾纏”。

研究配圖 - 2：帶有額外局部 NbTi 超導(dǎo)線圈的雙 YIG 球電路設(shè)計(jì)示意

在 2019 年的一項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)試圖打造一套新的系統(tǒng)，特點(diǎn)是通過(guò)磁激勵(lì)、在遠(yuǎn)距離的超導(dǎo)電路中實(shí)現(xiàn)相互交流。

如上圖所示，研究團(tuán)隊(duì)展示了一種遠(yuǎn)程磁控管耦合電路，包含了兩個(gè)被嵌入 NbN 共面超導(dǎo)諧振器中的單晶 YIG 球，而微波光子可介導(dǎo)磁振子的相互作用。

不過(guò)在用磁振子奠定某種量子計(jì)算的基礎(chǔ)之前，科學(xué)家們還需展開一系列的可行性研究，尤其是需要長(zhǎng)時(shí)間維持粒子的耦合。

為增強(qiáng)耦合效應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)想了這樣一種超導(dǎo)電路，并通過(guò)嵌入兩個(gè)磁激發(fā)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(yuǎn)程磁振子耦合的功率譜

兩個(gè)球體都磁耦合到了電路中的一個(gè)共享超導(dǎo)諧振器，它就像電話線一樣在兩個(gè)球體之間產(chǎn)生強(qiáng)耦合 —— 即使兩者的距離達(dá)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(xué)家 Yi Li 表示：“這是一項(xiàng)重大的成就，雖然我們能夠在磁振子和超導(dǎo)諧振器之間觀察到類似的效果，但這次卻是在沒(méi)有直接相互作用的連個(gè)磁振子諧振器之間發(fā)生的”。

換言之，耦合來(lái)自兩個(gè)球體與共享超導(dǎo)諧振器之間的間接相互作用。此外在 2019 年的另一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們也有提到改進(jìn)磁共振器中的磁振子的更長(zhǎng)相干性。

研究配圖 - 4：微波光子介導(dǎo)的磁振子耦合強(qiáng)度

Valentine Novosad 解釋稱：“在山洞里講話的時(shí)候，有可能會(huì)聽到回聲。回聲持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，其連貫性也就越長(zhǎng)”。

Yi Li 補(bǔ)充道：“此前我們我們以肯定地看到了磁振子與超導(dǎo)諧振器之間的關(guān)系，但在這項(xiàng)新研究中，由于使用了球體，它們的想干時(shí)間要長(zhǎng)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(jù)”。

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

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