Вчені демонструють потенціал спина електрона для передачі квантової інформації

Спин електрона — ідеальний квантовий біт природи, здатний розширювати діапазон зберігання інформації за межі «одиниці» чи «нуля». Використання спінового ступеня свободи електрона (можливих спінових станів) є центральною метою квантової інформаційної науки.

Нещодавні досягнення дослідників Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) Джозефа Оренштейна, Юе Суня, Цзе Яо та Фанхао Менга показали потенціал пакетів магнонних хвиль — колективних збуджень спіну електронів — переносити квантову інформацію на значні відстані в класі матеріали, відомі як антиферомагнетики.

Їх робота перевертає традиційне розуміння того, як такі збудження поширюються в антиферомагнетиках. Майбутня ера квантових технологій — комп’ютерів, датчиків та інших пристроїв — залежить від точної передачі квантової інформації на відстані.

Завдяки своєму відкриттю, опублікованому в журналі Nature Physics, Оренштайн і його колеги сподіваються зробити ще один крок ближче до цих цілей. Їхнє дослідження є частиною ширших зусиль лабораторії Берклі, спрямованих на просування квантової інформації шляхом роботи в екосистемі квантових досліджень, від теорії до застосування, для виготовлення та тестування пристроїв на основі квантової технології та розробки програмного забезпечення та алгоритмів.

Електронні спини відповідають за магнетизм у матеріалах, і їх можна розглядати як крихітні стрижневі магніти. Коли сусідні спіни орієнтовані в різних напрямках, результатом є антиферомагнітний порядок, і розташування не створює сумарної намагніченості.

Щоб зрозуміти, як пакети магнонних хвиль рухаються крізь антиферомагнітний матеріал, група Оренштейна використовувала пари лазерних імпульсів, щоб порушити антиферомагнітний порядок в одному місці, одночасно досліджуючи в іншому місці, створюючи моментальні знімки їх поширення. Ці зображення показали, що пакети магнонних хвиль поширюються в усіх напрямках, як брижі на ставку від впущеної гальки.

Команда лабораторії Берклі також показала, що пакети магнонних хвиль в антиферомагнетику CrSBr (сульфід броміду хрому) поширюються швидше та на більші відстані, ніж передбачають існуючі моделі. Моделі припускають, що кожен спін електрона з’єднується лише зі своїми сусідами. Аналогія — система сфер, з’єднаних з найближчими сусідами пружинами; переміщення однієї сфери з її бажаного положення створює хвилю зсуву, яка поширюється з часом.

Дивно, але такі взаємодії передбачають швидкість розповсюдження, яка на порядки повільніша, ніж насправді спостерігала команда.

«Однак пам’ятайте, що кожен електрон, що обертається, схожий на крихітний стрижневий магніт. Якщо ми уявімо заміну сфер крихітними стрижневими магнітами, що представляють обертові електрони, картина повністю зміниться», — сказав Оренштейн. «Тепер замість локальної взаємодії кожен стрижневий магніт з’єднується з кожним іншим у всій системі за допомогою такої ж взаємодії на великій відстані, яка тягне магніт холодильника до дверцят холодильника».