Созданы долгоживущие магноны для квантовых технологий

Международная исследовательская группа под руководством физиков Венского университета изучила свойства магнонов в сверхчистых кристаллах иттриевого граната. Ученые обнаружили, что время жизни этих квантовых волн намагниченности можно увеличить почти в сто раз по сравнению с ранее достигнутыми показателями, доведя его до 18 микросекунд. Результаты этой работы были опубликованы в научном журнале Science Advances.

Магноны представляют собой квантовые волны намагниченности, распространяющиеся внутри твердых магнитных материалов. Их можно сравнить с рябью на поверхности воды, только вместо жидкости они движутся в кристаллической решетке. В отличие от фотонов, которым для распространения не нужна среда, магноны существуют исключительно внутри твердого тела.

Длина волны магнонов может достигать нанометрового масштаба, что делает их перспективными для создания сверхкомпактных квантовых схем, сопоставимых по размерам с чипами в современных смартфонах. Благодаря способности взаимодействовать с другими фундаментальными квазичастицами, такими как фононы, магноны рассматриваются как идеальный строительный материал для гибридных квантовых систем и высокоточных измерительных приборов.

Однако долгое время практическому использованию магнонов препятствовала одна серьезная проблема — их крайне малое время жизни. Даже в лучших образцах этот показатель не превышал нескольких сотен наносекунд, что делало магноны непригодными для передачи и хранения квантовой информации в вычислительных устройствах. Теперь ученым впервые удалось увеличить время жизни магнонов на уровне 18 микросекунд, что почти на два порядка превосходит все предыдущие рекорды. При таком времени жизни магноны перестают быть мимолетными сигналами и превращаются в долгоживущих и надежных носителей квантовой информации, сопоставимых по характеристикам со сверхпроводящими кубитами, которые используются в ведущих квантовых процессорах сегодня.

Ключевой прорыв стал возможен благодаря сочетанию двух оригинальных подходов. Вместо использования обычных однородных магнонов исследователи возбуждали коротковолновые магноны, которые по своей природе не чувствительны к дефектам на поверхности кристалла — именно эти дефекты ранее и ограничивали время жизни.

Вторым важнейшим фактором стала экстремальная температура. Ученые охладили сверхчистые сферические образцы иттриевого граната в криостате со смешанной фазой до 30 милликельвинов, то есть до температуры, лишь на доли градуса превышающей абсолютный ноль. В таких условиях практически все тепловые процессы, разрушающие магноны, полностью останавливаются.

Важнейшим выводом работы стало доказательство того, что оставшийся предел времени жизни магнонов определяется не фундаментальными законами физики, а лишь микроскопическими примесями внутри кристалла. Команда протестировала три сферы с разной степенью чистоты, и закономерность оказалась абсолютно прямой: чем чище материал, тем дольше существует магнон. Даже самый загрязненный образец из трех побил все предыдущие рекорды. Это означает, что дальнейший прогресс в этой области это инженерная задача материаловедения, а не поиск принципиально новых физических явлений, и путь к еще более высоким показателям открыт.

Таким образом, получение магнонов с временем жизни 18 микросекунд превращает их из уязвимого промежуточного звена в полноценные квантовые запоминающие устройства и каналы связи с низкими потерями на чипе. Они могут послужить долгожданной «квантовой шиной», способной соединять сотни кубитов в масштабируемых квантовых компьютерах, а также выполнять роль универсальных трансляторов в гибридных квантовых архитектурах, связывая разные физические системы, которые иначе не могли бы взаимодействовать друг с другом.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях