阿贡大学的研究人员展示了一种片上量子电路，并实现了超导谐振器和磁性器件之间的强耦合。这个早期的研究为研究量子信息处理提供了一个新的平台。资料来源:艾伦·韦斯/阿贡国家实验室。
美国能源部(DOE)最近资助了能源部的阿贡国家实验室和伊利诺伊大学香槟-厄巴纳分校(UIUC)一个与量子信息科学有关的新项目。阿贡团队将把他们在超导和磁系统耦合方面的专业知识带到这个项目中。伊利诺伊大学香槟分校的团队将在开发量子系统的新型磁性材料方面贡献其世界级的能力。
阿贡材料科学部的资深科学家瓦伦丁·诺沃萨德(Valentine Novosad)说:“量子信息科学为科学家提供了新的、不同的方法来处理和操纵信息，用于传感、数据传输和计算。”“伊利诺伊大学香槟分校是我们在这一领域实现突破性发现的完美伙伴。”
在量子信息科学的新兴领域，微波可能扮演着基础性的角色，因为它们的物理性质使它们能够在接近绝对零度(零下460华氏度)的温度下提供所需的量子功能——这是必要的，因为热量会在量子操作中产生错误。然而，微波很容易受到噪声的影响，噪声是干扰信号和数据传输的无用能量。
研究小组将探索马格子是否可以与微波光子合作，以确保微波只能单向传播，从而从根本上消除噪音。磁子是磁体的基本激发。相比之下，微波光子是由电子激发产生的，就像在微波炉中产生的波一样。
阿贡的科学家们将在他们早期努力的基础上，创造一个集成了磁性元素的超导电路。磁子和光子通过这个超导装置相互交流。超导性——完全没有电阻——允许在接近绝对零度的情况下磁子和微波光子耦合。
“这种能力为操纵量子信息提供了独特的机会，”阿贡材料科学部博士后李毅解释说。
在过去，阿贡在超导探测器和传感器的发展中扮演了重要的角色，这些探测器和传感器可以在最基本的水平上理解宇宙的运行。诺沃萨德说:“我们将从宇宙学和粒子物理学的这些非常成功的项目中获得宝贵的知识。”
伊利诺伊大学香槟分校的研究人员将寻找能在超低温下工作的磁铁。他们将测试已知的和新的材料系统，以找到能够处理超冷环境并在真实量子设备中运行的候选材料。
“许多磁铁在室温下的微波下工作得很好”阿克塞尔·霍夫曼说，他是UIUC工程的创始人教授，也是这个项目的负责人。“我们需要的材料在更低的温度下也能很好地工作，这可能会完全改变它们的性质。”
霍夫曼说:“如果我们能在这三年内取得成功，我们将使磁结构直接与量子电路集成。”“这项工作也可以应用于传感和通信的非量子设备，比如Wi-Fi或蓝牙技术。”
这个新项目是阿贡大学和伊利诺伊大学香槟分校如何引领量子未来的另一个例子。Argonne不仅在其庞大的质量信息系统项目组合中进行跨学科研究，而且还领导着Q-NEXT，这是美国能源部在2020年8月成立的五个质量信息系统研究中心之一。类似地，UIUC支持广泛的量子信息项目，如Q-NEXT，通过伊利诺伊州量子信息科学和技术(IQUIST)中心。