Коллектив учёных из МФТИ и НИТУ «МИСиС» разработал платформу для осуществления фотон-магнонного взаимодействия на одном чипе и экспериментально подтвердил эффективность её работы. Разработка может стать шагом к созданию гибридных квантовых устройств, которые считаются наиболее перспективным способом передачи квантовой информации.
Материалы исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied.
На сегодня существует множество вариантов квантовых устройств: твердотельные сверхпроводящие, оптические на фотонах, с атомными ловушками и другие. Каждый из них имеет преимущества и недостатки. Одним из наиболее перспективных направлений развития квантовой вычислительной техники считается создание гибридных устройств, в которых элементы каждого типа будут отвечать за определённую функцию.
«Например, на сверхпроводящих кубитах можно производить вычисления, но передавать данные всё же удобнее по оптоволоконной связи, то есть с помощью фотонов. Поэтому необходимо сделать так, чтобы произошла конверсия микроволнового излучения в фотоны. Потом информация приходит на устройство, работающее по третьему принципу, и она должна снова конвертироваться и уже жить на этом устройстве», — поясняет руководитель исследования Игорь Головчанский, заведующий лабораторией криоэлектронных систем НИТУ «МИСиС», старший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.
В последнее десятилетие в центре внимания исследователей и разработчиков оказались гибридные системы на основе коллективных спиновых возбуждений, или магнонов. Одно из наиболее заметных преимуществ магнонных устройств заключается в том, что магнонные системы достаточно легко перестраиваются магнитным полем. При этом магнонные системы по размеру существенно меньше фотонных, что значительно затрудняет разработку гибридных устройств. И это один из самых больших инженерных вызовов.
Российским специалистам удалось создать систему, в которой реализовано сверхсильное фотон-магнонное взаимодействие, и экспериментально подтвердить силу этого взаимодействия. Так, сила фотон-магнонной связи в разработанной системе составила порядка 350 Гц. Для сравнения, ранее максимальный показатель для таких систем составлял около 100 Гц, а ещё несколько лет назад он не превышал 1 Гц.
«Система состоит из двух сверхпроводящих плёнок, разделённых диэлектриком. В таких системах радикально меняется фазовая скорость, то есть фотон становится гораздо медленнее, что для данной системы критически важно, поскольку именно замедление фотонной фазовой скорости гарантирует прочность фотон-магнонной связи. Затем внутрь этого «сэндвича» сверхпроводник—изолятор—сверхпроводник мы встраиваем ещё ферромагнитную плёнку, и получается, что электромагнитные волны, которые живут в этой трёхслойной конструкции, начинают взаимодействовать с ферромагнетиками. Ферромагнетики тоже начинают влиять на систему, и происходит гибридизация», — объясняет Игорь Головчанский.
При этом сверхсильная фотон-магнонная связь в созданной российскими учёными системе подтверждает присутствие в ней гибридных квазичастиц, которые ранее в подобных системах не наблюдались, а именно частиц плазмон-магнон-поляритонов, плазмонная составляющая которых защищает систему от так называемого сверхизлучающего перехода.
«В нашей системе мы обнаружили, что так называемые куперовские пары (связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов) вносят определенный вклад в энергию системы и меняют законы дисперсии этой системы, то есть резонансные частоты и т. п. Это важно, потому что все строится вокруг так называемой модели Дике, в которой рассматривается ансамбль частичек, которые могут взаимодействовать с электромагнитным полем, и, в принципе, если бы не было этого слагаемого, наша система могла бы перейти в сверхизлучательное состояние. Мы показали, что в наших системах сверхизлучательного перехода быть не может», — подчёркивает Игорь Головчанский.
Разработанная российскими учёными платформа для фотон-магнонного взаимодействия не только может стать основой для гибридных квантовых вычислительных устройств, но и позволит продвинуться в дальнейшем изучении таких тонких физических явлений, как, например, обменные спиновые волны. При этом её существенным преимуществом является возможность создания сверхсильной фотон-магнонной связи на одном чипе.