Magnonai gyvena ilgiau: žingsnis link mažo kvantinio lusto

Įsivaizduokite kvantinį procesorių, pakankamai mažą, kad tilptų ant monetos. Skamba kaip mokslinė fantastika. Tačiau Andrijaus Čumako vadovaujama komanda Vienos universitete priartino tą vaizdą prie realybės, pailgindama magnonų (smulkių magnetinių bangelių, galinčių pernešti kvantinę informaciją) gyvenimo trukmę nuo vos akimirksniu praeinančių nanosekundžių iki mikrosekundžių lygio.

Magnonai nėra daiktai, kuriuos galima laikyti; tai kolektyvinės ekscitacijos, magnetizacijos bangos, sklindančios per kietą kūną. Įsivaizduokite akmenuką, numestą į tvenkinį, ir stebėkite koncentrines bangeles. Tačiau šios bangelės gyvena kristaluose, gali susitraukti iki nanometrinių bangų ilgių ir natūraliai sąveikauti su fotonais, fononais bei kitais kvantiniais komponentais. Toks derinys daro jas ypač perspektyviomis ant lusto montuojamoms kvantinėms sistemoms, kurios turi sujungti skirtingus elementus be masyvių ryšių.

Daug metų problema buvo jų trapumas. Ankstesni eksperimentai nustatė, kad magnonai išnyksta per kelis šimtus nanosekundžių, kas yra per trumpa, kad jie galėtų tarnauti kaip patikimos kvantinės atmintys ar komunikacijos kanalai. Vienos mokslininkų grupė sulaužė šią ribą. Generuodami trumpųjų bangų magnonus itin grynose itrio geležies granato (YIG) sferose ir atšaldydami juos iki 30 millikelvinų, jie užfiksavo gyvenimo trukmes iki 18 mikrosekundžių, beveik 100 kartų ilgesnes už ankstesnius rekordus. Tokiu mastu magnonai nustoja būti efemeriškomis būsenomis ir pradeda elgtis kaip praktiški elementai kvantinėje aparatūroje.

Triukas buvo dviejopas. Trumpųjų bangų magnonai yra mažiau jautrūs paviršiaus trūkumams nei vienodi, ilgos bangos režimai. Be to, medžiagų kokybė turi didžiulę reikšmę: komanda išbandė tris YIG sferas su skirtingu priemaišų lygiu ir rado aiškų modelį — kuo švaresnis kristalas, tuo ilgiau gyveno magnonai. Net nešvariausia jų mėginio sfera viršijo visus ankstesnius matavimus. Tai svarbu, nes tai perkelia siaurąją vietą nuo fundamentinės fizikos prie inžinerijos: geresnė gamyba ir grynesnės medžiagos gali lemti dar ilgesnį magnonų gyvavimą.

Jie atšaldė mėginius mišrios fazės kriostate, užšaldydami terminės kilmės procesus, kurie paprastai mažina magnonų gyvenimo trukmę. 30 millikelvinų temperatūroje terminis triukšmas tampa beveik nereikšmingas. Sujungus tai su trumpomis bangomis ir nepriekaištingu YIG, anksčiau nepasiekiamos gyvenimo trukmės tampa įprastos. Šis darbas publikuotas žurnale Science Advances ir skaito tiek kaip medžiagų mokslo gairės, tiek kaip fizikos proveržis.

Kodėl tai svarbu kvantinei technologijai? Todėl, kad ilgai išliekantys magnonai galėtų veikti kaip tankūs, ant lusto integruoti kvantiniai kanalai, pernešantys kvantines būsenas tarp šimtų kubitų be sunkių laidų ar apimčių užimančių fotoninių jungčių. Jų gebėjimas sąveikauti su skirtingomis kvantinėmis platformomis reiškia, kad magnonai galėtų būti vertėjais, jungdami mikrobanginius superlaidžius kubitus su optiniais fotonais arba sujungdami mechaninius rezonatorius su spin sistemomis. Hibridinėse architektūrose tokia universalumas ypač vertingas.

Praktiški prietaisai vis dar tolima perspektyva. Atšaldymas iki 30 mK nėra paprastas laboratorinis uždavinys, o itin grynos YIG gamyba mastu išlieka sudėtinga. Vis dėlto išvada skamba paprastai: pagerinus medžiagas, magnonai taps dar geresni. Tai kita rūšis kliūties nei naujo fizikinio limito atradimas; tai problema, kurią gali spręsti inžinieriai ir chemikai.

Trumpi sakiniai čia. Ilgi ten. Išvada: magnonai persikėlė nuo praeinančių smalsumų prie rimtų kandidatų į kietojo kūno kvantinę infrastruktūrą. Monetos dydžio kvantinis lustas šiandien gali skambėti futuristiškai, tačiau su ilgiau išliekančiomis magnetinėmis bangomis tos dėlionės dalys pradeda susidėlioti.

Kas toliau tobulins medžiagas ir kaip greitai pramonė sugebės išplėsti kriogenikos bei gamybos technologijas? Atsakymai padės nuspręsti, ar magnonai taps tyliaisiais darbininkais rytojaus kompaktiškose kvantinėse mašinose.