Новый рекорд времени жизни магнона приблизил создание сверхминиатюрных квантовых вычислителей
Физикам удалось продлить время жизни магнона, квазичастицы, переносящей коллективное возбуждение спинов внутри магнитного материала, до 18 микросекунд, что почти в сто раз превышает все ранее наблюдаемые значения. Достижение этой цели было давней проблемой в исследованиях данной квазичастицы, поскольку её возможные применения могут открыть путь к квантовым технологиям следующего поколения.
Квантовая когерентность, то есть время, в течение которого запутанные частицы сохраняют свои квантовые состояния, является главной основой для обработки квантовой информации. Поддержание этой когерентности позволяет выполнять операции, хранение и передачу данных в квантовых системах. Среди систем, рассматриваемых для передачи квантовой информации, твердые тела предлагают значительные преимущества с точки зрения масштабируемости и адаптируемости. В рамках этих платформ изучаются бозонные квазичастицы, включая фотоны, поляритоны и магноны, как потенциальные переносчики квантовой информации.
В частности, магноны в гигагерцовом диапазоне частот считаются одними из наиболее перспективных бозонных квазичастиц для передачи квантовой информации. Однако их использованию препятствует серьезное ограничение: время их жизни, то есть период, в течение которого они могут надежно переносить квантовую информацию, остается крайне коротким. До сих пор время жизни магнонов составляло не более нескольких сотен наносекунд, что абсолютно недостаточно для обработки квантовой информации. Исследователи из Венского университета утверждают, что им удалось увеличить это время жизни почти в сто раз.
Магноны — это квазичастицы, которые ведут себя как спиновые волны при распространении внутри твердого магнитного материала. По аналогии их можно сравнить с рябью, образующейся на поверхности воды при броске камня. Но в отличие от фотонов, распространяющихся в вакууме или в оптических волокнах, магноны циркулируют только внутри магнитных твердых тел. Поскольку их длины волны могут уменьшаться до нанометрового масштаба, схемы на основе магнонов теоретически могли бы позволить значительно миниатюризировать квантовые схемы.
Кроме того, магноны естественным образом взаимодействуют с другими квазичастицами, такими как фононы и фотоны, что может привести к созданию гибридных квантовых систем. Благодаря своей твердотельной природе и способности взаимодействовать со многими различными квантовыми системами, магноны могли бы служить универсальными переводчиками в гибридных квантовых архитектурах, соединяя технологии, которые иначе не могли бы взаимодействовать друг с другом. Для продления времени жизни магнона команда использовала магноны с короткой длиной волны вместо обычных однородных магнонов. Эта стратегия была выбрана потому, что коротковолновые магноны по своей природе менее чувствительны к поверхностным дефектам магнитных кристаллов, внутри которых они распространяются.
Исследователи также использовали сверхчистые сферы из иттрий-железного граната (YIG), охлажденные в криостате со смесевым охлаждением до 30 милликельвинов, что составляет всего лишь долю градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре тепловые процессы, ответственные за рассеивание магнонов, значительно подавлены. Вопреки давнему убеждению, что время жизни магнонов не может превышать нескольких сотен наносекунд, ученым удалось сохранять их более чем на 18 микросекунд. В этом состоянии магноны перестают быть просто мимолетными сигналами и становятся надежными и устойчивыми переносчиками квантовой информации, сравнимыми со сверхпроводящими кубитами, используемыми в самых мощных современных квантовых процессорах.
Более того, исследовательская группа продемонстрировала, что время жизни магнона на самом деле определяется степенью чистоты кристаллов. Испытав три разных уровня чистоты сфер из YIG, ученые обнаружили, что чем чище материал, тем дольше время жизни магнона. Однако даже наименее чистый образец, по словам команды, превзошел все предыдущие рекорды времени жизни. Это говорит о том, что следующие прорывы в этой области могут зависеть прежде всего от прогресса в материаловедении. Эти результаты ставят под сомнение устоявшиеся представления о пределах диссипации магнонов, позиционируя их как жизнеспособные и долгоживущие носители информации для твердотельных квантовых вычислений.
Исследование в журнале Science Advances.