Les dispositifs profitant du comportement quantique collectif des excitations de spin dans les matériaux magnétiques – connus sous le nom de magnons – ont le potentiel d'améliorer les dispositifs informatiques quantiques. Cependant, l'utilisation de magnons dans des dispositifs quantiques nécessite une compréhension approfondie de leur nature et de leurs limites. Une nouvelle technique expérimentale utilise des qubits supraconducteurs pour caractériser avec sensibilité le comportement de magnon dans des régimes auparavant inexplorés.
Des chercheurs du Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign ont rapporté dans la revue Revue physique appliquée Ce comportement de magnon très excité dans les matériaux ferromagnétiques peut être caractérisé avec précision par le couplage du matériau à un qubit supraconducteur via une cavité micro-ondes. Cette configuration a permis aux chercheurs de caractériser à la fois le nombre de magnons et leur vie lorsque des milliers d'excitations sont présentes, un régime qui n'a pas été bien étudié.
« Pour être utile dans les applications informatiques quantiques, les limitations des systèmes de magnon doivent être comprises correctement », a déclaré Sonia Rani, l'auteur principal de l'étude. « Le problème est qu'il n'y a pas une bonne théorie pour que certains effets deviennent importants, et si nous devons nous attendre à ce qu'ils conduisent à des effets néfastes.
« Notre expérience montre que nous pouvons utiliser des qubits supraconducteurs comme détecteurs flexibles pour étudier les magnons dans ces systèmes magnétiques sur une large gamme, ce qui est passionnant à la fois pour la connexion informatique quantique et pour la science fondamentale. »
Les dispositifs Magnon peuvent améliorer les ordinateurs quantiques avec des fonctionnalités telles que la non-réciprocité, dans laquelle le dispositif permet uniquement aux informations de circuler dans une seule direction, de transduction, ou de conversion entre différentes fréquences de fonctionnement pour différents systèmes.
Ces fonctionnalités supposent un comportement de magnon linéaire, ou que les excitations de magnon dans le matériau n'interagissent pas les unes avec les autres, et que leur amortissement est bien décrit par des modèles empiriques simples. Il n'est pas clair à quels points ces hypothèses se décomposent et si cela compte pour les applications de périphérique quantique.
Pour explorer les systèmes avec un grand nombre de magnons présents, Rani et ses collègues dans le groupe de recherche du professeur de physique de l'Illinois, Wolfgang Pfaff, ont utilisé un appareil appelé qubit supraconducteur – une composante informatique quantique dont la sensibilité aux champs électriques le rend également utile pour la mesure de précision. Ils l'ont connecté au dispositif de magnon, qui est sensible aux champs magnétiques, avec une cavité micro-ondes, dans laquelle les ondes électromagnétiques facilitent la conversion entre les champs électriques et magnétiques.
L'expérience a permis aux chercheurs d'explorer la dynamique de magnon avec deux techniques. Le premier, le décalage de fréquence dispersif profite d'une relation entre le nombre de magnons présents et la fréquence de fonctionnement du qubit supraconductrice. Cela a permis aux chercheurs de déterminer le nombre de magnons présents avec une erreur de 0,5%.
Le deuxième pompage paramétrique peut être utilisé pour créer temporairement une interaction entre le qubit et les magnons et contrôler sa résistance. Cela a fourni une autre mesure du nombre de magnons présents, et il a permis de suivre la décroissance des excitations de magnon.
« Le pompage paramétrique est particulièrement attrayant car il nous permet d'explorer avec précision la dynamique de magnon à mesure que le système évolue dans le temps, et il le fait d'une manière qui ne dégrade pas le capteur de qubit supraconducteur », a déclaré Rani. « C'est une approche flexible et intégrée idéale pour surveiller la dynamique de Magnon. »
Le matériau exploré par les chercheurs de cette étude, Yttrium-Iron-Garnet, a présenté un comportement linéaire avec des caractéristiques d'amortissement bien comprises de jusqu'à 2 000 excitations de magnon. Les études futures pourraient explorer plus de matériaux magnétiques avec des excitations plus fortes pour explorer le début et l'impact des effets non linéaires, où les magnons interagissent les uns avec les autres.
« Ce travail ouvre la voie à de nouveaux types d'appareils quantiques de deux manières », a déclaré Pfaff. « Premièrement, cela montre de manière très pratique comment nous pouvons intégrer des qubits et des systèmes magnétiques supraconducteurs – deux plates-formes qui sont normalement en contradiction les unes avec les autres. Et deuxièmement, il nous permet de » dépister « des systèmes magnétiques pour les non-idéalités qui compromettraient les performances d'un appareil quantique. »
