Pitkäikäiset magnonit vievät kolikon kokoisia kvanttisiruja

Kuvittele kvanttiprosessori, joka on tarpeeksi pieni mahtuakseen kolikolle. Kuulostaa tieteiskirjallisuudelta. Wienin yliopiston Andrii Chumakin johtama ryhmä on kuitenkin vienyt tuon kuvan lähemmäs todellisuutta pidentämällä magnonien elinikää, pienien magneettisten aaltoliikkeiden, jotka voisivat siirtää kvanttitietoa, nanosekunneista mikrosekuntitasolle.

Magnonit eivät ole hiukkasia, joita voi pitää kädessä; ne ovat kollektiivisia eksitaatioita, magneettisuuden aaltoliikkeitä, jotka etenevät kiinteässä aineessa. Kuvittele kiven heittäminen lampeen ja kehämäisten aaltojen leviäminen. Näissä tapauksissa aallot elävät kiteissä, voivat kutistua nanometrin aallonpituuksiin ja vuorovaikuttaa luonnostaan fotonien, fononien ja muiden kvanttijärjestelmien kanssa. Tämä yhdistelmä tekee niistä poikkeuksellisen lupaavia piirille integroitaville kvanttilaitteille, jotka tarvitsevat yhdistää eri komponentteja ilman tilaa vieviä liitäntöjä.

Vuosiin ongelmana on ollut niiden hauraus. Aiemmat kokeet havaitsivat, että magnonit hiipuvat muutamissa sadoissa nanosekunneissa, mikä on liian lyhyt toimimaan luotettavina kvanttimuisteina tai viestintäkanavina. Wienin johtama ryhmä kuitenkin murti tuon rajan. Tuottamalla lyhytaaltoisia magnoneja erittäin puhtaissa yttrium-rautagarnetin (YIG) palloissa ja jäähdyttämällä ne 30 millikelviniin he mittasivat elinaikoja jopa 18 mikrosekuntiin saakka, lähes 100-kertaisena aiempiin ennätyksiin verrattuna. Tällaisessa mittakaavassa magnonit eivät enää ole ohimeneviä signaaleja vaan toiminnallisia komponentteja kvanttilaitteistossa.

Keino oli kaksiosainen. Lyhytaaltoiset magnonit ovat vähemmän herkkiä pintaepätasaisuuksille kuin yhtenäiset, pitkän aallonpituuden tilat. Materiaalin laatu merkitsee valtavasti: ryhmä testasi kolmea YIG-palloa eri epäpuhtausasteilla ja havaitsi selkeän kaavan, mitä puhtaampi kide, sitä pidempään magnonit elivät. Jopa heidän epäpuhtain näytteensä ylitti kaikki aiemmat mittaukset. Tämä on merkittävää, koska pullonkaula siirtyy perusfysiikasta kohti tekniikkaa; parempi valmistus ja puhtaammat materiaalit voivat tuottaa vielä pitkäikäisempiä magnoneja.

He jäähdyttivät näytteet sekoitusvaihekryostaatissa, jolloin lämpöprosessit, jotka normaalisti heikentävät magnonien elinikää, pysäytettiin. 30 millikelvinissä lämpötilassa terminen kohina on lähes merkityksetön. Yhdistä tähän lyhyet aallonpituudet ja virheetön YIG, ja eliniät, jotka ennen vaikuttivat saavuttamattomilta, muuttuvat arkipäiväisiksi. Työ on julkaistu Science Advances -lehdessä ja se tuntuu yhtä paljon materiaalitieteen tiekartalta kuin fysiikan läpimurrolta.

Miksi tämä on tärkeää kvanttiteknologialle? Koska pitkäikäiset magnonit voisivat toimia tiheinä, sirulle integroitavina kvanttibusseina, kanavina jotka kuljettavat kvanttitiloja satojen kubittien välillä ilman raskaita johtoja tai tilaa vieviä fotonisia linkkejä. Niiden kyky kytkeytyä useisiin kvanttialustoihin tarkoittaa, että magnonit voisivat toimia välittäjinä: yhdistäen mikroaaltosuprakondensaattorikubit optisiin fotoneihin tai silloittaen mekaanisia resonansseja ja spin-järjestelmiä. Hybridissa arkkitehtuurissa tuo monipuolisuus on kullanarvoinen.

Käytännön laitteet ovat kuitenkin vielä kaukana. 30 mK:iin jäähdyttäminen ei ole jokapäiväistä laboratoriotyötä, ja erittäin puhtaan YIG:n valmistaminen suuressa mittakaavassa on edelleen haastavaa. Silti johtopäätös on selkeä: parantamalla materiaaleja magnonit paranevat edelleen. Tämä on erilainen pullonkaula kuin uuden fysikaalisen rajan löytäminen; sen voivat ratkaista insinöörit ja kemistit.

Lyhyitä lauseita täällä. Pitkiä lauseita siellä. Yhteenvetona: magnonit ovat siirtyneet ohimenevistä kuriositeeteista todellisiksi ehdokkaiksi kiinteän aineen kvantti-infrastruktuuriin. Kolikon kokoinen kvanttisiru saattaa tänään kuulostaa mielikuvitukselliselta, mutta näiden pidempään elävien magneettiaaltojen ansiosta palaset alkavat loksahdella paikalleen.

Kuka seuraavaksi vie materiaalit huippuunsa, ja kuinka nopeasti teollisuus pystyy skaalaamaan kryogeenisiä ja valmistustekniikoita? Vastaukset ratkaisevat, tulevatko magnonit hiljaisiksi ja luotettaviksi työhevosiksi tulevien kompaktien kvanttikoneiden sisällä.