Μια ομάδα φυσικών έχει ξεπεράσει ένα σημαντικό εμπόδιο στον κβαντικό υπολογισμό αυξάνοντας δραματικά τη διάρκεια ζωής των μάγνονων, μικροσκοπικών μαγνητικών κυμάτων που μπορούν να μεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες. Οι ερευνητές παρέτειναν τη διάρκεια ζωής τους από μερικές εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα σε 18 μικροδευτερόλεπτα, σχεδόν 100 φορές περισσότερο από ό,τι είχε επιτευχθεί στο παρελθόν. Η πρόοδος θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει στην κατασκευή εξαιρετικά συμπαγών κβαντικών υπολογιστών, ενδεχομένως τόσο μικροί όσο ένα νόμισμα του 1 λεπτού.
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Andri Chumak του Πανεπιστημίου της Βιέννης αποκάλυψε επίσης μια σημαντική εικόνα. Διαπίστωσαν ότι η διάρκεια ζωής των μάγκον δεν περιορίζεται τελικά από τους νόμους της φυσικής, αλλά από την ποιότητα του υλικού που ταξιδεύουν. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν Η επιστήμη προχωρά.
Τι είναι το Magnon;
Τα Magnons είναι μικροσκοπικά κύματα μαγνήτισης που ταξιδεύουν μέσα από μαγνητικά στερεά. Μπορούν να συγκριθούν με τους κυματισμούς που απλώνονται σε μια λίμνη μετά την ρίψη μιας πέτρας στο νερό. Σε αντίθεση με τα φωτόνια, τα οποία ταξιδεύουν μέσω του ελεύθερου χώρου ή των οπτικών ινών, τα μαγνόνια παραμένουν μέσα στη μαγνητική ύλη.
Επειδή το μήκος κύματός τους μπορεί να συρρικνωθεί σε λίγα μόνο νανόμετρα, τα κυκλώματα που βασίζονται σε magnon μπορούν να χωρέσουν σε μεγαλύτερα τσιπ από αυτά που υπάρχουν ήδη στα smartphone. Τα Magnons αλληλεπιδρούν φυσικά με άλλα θεμελιώδη οιονεί σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των φωνονίων και των φωτονίων, καθιστώντας τα ελκυστικά δομικά στοιχεία για τα υβριδικά κβαντικά συστήματα και την κβαντική μετρολογία.
Επίλυση του προβλήματος της διάρκειας ζωής του Magnon
Με τα χρόνια, μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι τεχνολογίες Magnon ήταν η εξαιρετικά σύντομη διάρκεια ζωής τους. Επειδή μπορούν να ζήσουν μόνο για μερικές εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα, εξαφανίζονται πολύ γρήγορα για να αποθηκεύσουν ή να μεταφέρουν αξιόπιστα κβαντικές πληροφορίες.
Νέα έρευνα άλλαξε αυτή την εικόνα. Επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής του magnon στα 18 μικροδευτερόλεπτα, οι ερευνητές μετέτρεψαν αυτά τα κάποτε εφήμερα σήματα σε μακροχρόνιους φορείς κβαντικών πληροφοριών. Η απόδοσή τους πλησιάζει τώρα τα χρονοδιαγράμματα που απαιτούνται για την πρακτική κβαντική τεχνολογία και κάνει τα magnons συγκρίσιμα με τα υπεραγώγιμα qubits που χρησιμοποιούνται στους κορυφαίους κβαντικούς επεξεργαστές του σήμερα.
Πώς οι ερευνητές πέτυχαν την επιτυχία
Αυτή η σημαντική ανακάλυψη προέκυψε από το συνδυασμό δύο σημαντικών στρατηγικών.
Πρώτον, αντί να χρησιμοποιήσει συμβατικά ομοιόμορφα magnons, η ομάδα δημιούργησε magnons μικρού μήκους κύματος. Είναι φυσικά λιγότερο ευαίσθητα σε μικρά ελαττώματα στην επιφάνεια του κρυστάλλου, τα οποία μείωσαν τη διάρκεια ζωής του magnon σε προηγούμενα πειράματα.
Δεύτερον, οι ερευνητές ψύξαν εξαιρετικά καθαρές σφαίρες από γρανάτη σιδήρου υττρίου (YIG) σε μόλις 30 millikelvin μέσα σε έναν κρυοστάτη μικτής φάσης. Σε θερμοκρασίες μόνο ένα κλάσμα ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, οι θερμικές διεργασίες που συνήθως καταστρέφουν τα μάγνον παγώνουν αποτελεσματικά.
Η ύλη, όχι η φυσική, θέστε το όριο
Ίσως η πιο εκπληκτική ανακάλυψη ήταν η αναγνώριση που πλέον περιορίζει τη διάρκεια ζωής του Magnon.
Εξετάζοντας τρεις σφαίρες YIG με διαφορετικά επίπεδα καθαρότητας, οι ερευνητές βρήκαν ένα σαφές μοτίβο. Όσο πιο καθαρός είναι ο κρύσταλλος, τόσο περισσότερο ζει το magnon. Ακόμη και το λιγότερο καθαρό δείγμα είχε καλύτερη απόδοση από κάθε προηγούμενη δοκιμή.
Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι οι μελλοντικές βελτιώσεις εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την πρόοδο της επιστήμης των υλικών παρά από την υπέρβαση των αναπόφευκτων νόμων της φύσης. Η διάρκεια ζωής του Magnon μπορεί να βελτιωθεί καθώς οι ερευνητές αναπτύσσουν πιο καθαρά μαγνητικά υλικά.
Γιατί είναι αυτό σημαντικό για τους κβαντικούς υπολογιστές;
Με τις ζωές να φτάνουν τα 18 μικροδευτερόλεπτα, τα magnons γίνονται πολύ περισσότερα από τα παροδικά σήματα. Μπορούν να χρησιμεύσουν ως αξιόπιστες συσκευές κβαντικής μνήμης και κανάλια επικοινωνίας χαμηλών απωλειών που μεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες σε ένα τσιπ.
Οι ερευνητές λένε ότι τα magnons θα μπορούσαν τελικά να συνδέσουν εκατοντάδες qubits μέσω μιας κοινής διαδρομής, δημιουργώντας ένα πολυαναμενόμενο “κβαντικό λεωφορείο” που θα βοηθούσε στην κλίμακα μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών. Επειδή τα magnons αλληλεπιδρούν φυσικά με διαφορετικά κβαντικά συστήματα, μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως καθολικοί μεταφραστές, επιτρέποντας τεχνολογίες που κανονικά μπορεί να μην συνεργάζονται μεταξύ τους.
Η μελέτη βασίζεται σε πειράματα που διεξήγαγε ο Rostislav Serha κατά τη διάρκεια της διδακτορικής του έρευνας. Το έργο ηγήθηκε από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, το Κολοράντο Σπρινγκς και το Πανεπιστήμιο της Βιέννης σε συνεργασία με ερευνητικά ιδρύματα στη Γερμανία, τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ουκρανία. Η συν-συγγραφέας Caitlin McAllister συμμετείχε μέσω της Διδακτορικής Σχολής Φυσικής της Βιέννης, η οποία προσφέρει πρακτική άσκηση σε εξαιρετικούς μεταπτυχιακούς φοιτητές από όλο τον κόσμο.
