A computação quântica promete revolucionar as maneiras pelas quais os cientistas podem processar e manipular informações. Os fundamentos físicos e materiais para as tecnologias quânticas ainda estão sendo explorados, e os pesquisadores continuam a buscar novas maneiras de manipular e trocar informações no nível quântico.

Em um estudo recente, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) criaram um circuito supercondutor miniaturizado baseado em chip que acopla ondas quânticas de spins magnéticos chamados magnons a fótons de energia equivalente. Através do desenvolvimento desta abordagem "no chip" que combina magnetismo e supercondutividade para manipulação de informações quânticas, esta descoberta fundamental pode ajudar a estabelecer as bases para avanços futuros na computação quântica.

Os magnons surgem em sistemas ordenados magneticamente como excitações dentro de um material magnético que causam uma oscilação das direções de magnetização em cada átomo no material - um fenômeno chamado onda de spin. "Você pode pensar nisso como se tivesse uma série de agulhas de bússola magneticamente interligadas, "disse o cientista de materiais de Argonne Valentine Novosad, um autor do estudo. "Se você chutar um em uma determinada direção, isso vai causar uma onda que se propaga pelo resto. "

Assim como os fótons de luz podem ser considerados ondas e partículas, o mesmo acontece com os magnons. "A onda eletromagnética representada por um fóton é equivalente à onda de spin representada por um magnon - as duas são análogas uma à outra, "disse o pesquisador de pós-doutorado de Argonne, Yi Li, outro autor do estudo.

Porque fótons e magnons compartilham uma relação tão próxima entre si, e ambos contêm um componente de campo magnético, os cientistas de Argonne procuraram uma maneira de acoplar os dois. Os magnons e fótons "falam" uns com os outros através de uma cavidade de micro-ondas supercondutor, que carrega fótons de microondas com uma energia idêntica à energia dos magnons nos sistemas magnéticos que poderiam ser emparelhados a ele.

Usar um ressonador supercondutor com geometria coplanar mostrou-se eficaz porque permitiu aos pesquisadores transmitir uma corrente de microondas com baixa perda. Adicionalmente, também lhes permitiu definir convenientemente a frequência dos fótons para acoplamento aos magnons.

"Ao emparelhar o comprimento certo do ressonador com a energia certa de nossos magnons e fótons, estamos, em essência, criando uma espécie de câmara de eco para energia e informações quânticas, "Disse Novosad." As excitações permanecem no ressonador por um período de tempo muito mais longo, e quando se trata de computação quântica, esses são os momentos preciosos durante os quais podemos realizar as operações. "

Como as dimensões do ressonador determinam a frequência do fóton de microondas, campos magnéticos são necessários para ajustar o magnon para combiná-lo.

"Você pode pensar nisso como afinar uma guitarra ou um violino, "Disse Novosad." O comprimento da sua corda - neste caso, nosso ressonador de fótons - é fixo. Independentemente, para os magnons, podemos ajustar o instrumento ajustando o campo magnético aplicado, o que é semelhante a modificar a quantidade de tensão na corda. "

Em última análise, Li disse, a combinação de um sistema supercondutor e magnético permite o acoplamento e desacoplamento preciso do magnão e do fóton, apresentando oportunidades para manipular informações quânticas.

Centro de Materiais em nanoescala de Argonne, um DOE Office of Science User Facility, foi usado para processar litograficamente o ressonador.

Um artigo baseado no estudo, "Forte acoplamento entre magnons e fótons de microondas em dispositivos de filme fino supercondutor de ferromagneto on-chip, "apareceu na edição de 3 de setembro de Cartas de revisão física e também foi destaque na Sugestão dos Editores.