Magnonin käyttöikä sata kertaa pidemmäksi

Magnonit, erityisesti gigahertsin taajuuksilla, ovat lupaavimpia bosonikvasihiukkasia kvantti-informaation kantajille niiden luontaisen aaltomaisen kvanttikäyttäytymisen, viritettävyyden, rikkaiden epälineaaristen ja ei-resiprokaalisten fysikaalisten ilmiöiden ja hybrideihin kvanttijärjestelmiin integroitavuuden ansiosta.

Niiden aallonpituuksia voidaan pienentää nanometrialueelle, mikä tarkoittaa, että magnetoniset piirit voisivat periaatteessa mahtua nykytekniikan käyttämille sirulle.

Tähän asti on ollut yksi merkittävä este: magnonien elinikä on ollut hyvin lyhyt. Tämä elinikä oli parhaimmillaankin vain muutama sata nanosekuntia. Aivan liian lyhyt käytännön kvanttilaskentaan.

Wienin yliopiston Timmy Wienerin vetämä ryhmä on tuonut aiheeseen läpimurron: fyysikot pystyivät mittaamaan magnonille jopa 18 mikrosekuntisen eliniän – lähes sata kertaa pidemmän kuin mikään tähän mennessä havaittu arvo.

Tässä tilassa magnonit eivät ole enää ohikiitäviä signaaleja, vaan niistä tulee pitkäikäisiä ja luotettavia kvantti-informaation kantajia, verrattavissa nykypäivän johtavissa kvanttiprosessoreissa käytettyihin suprajohtaviin kubitteihin.

Suprajohtaviin piireihin resonanssin kautta kytkettyinä näin pitkäikäiset magnonit voivat välittää epälokaalista lomittumista satojen kubittien välillä yhteistä aaltojohdetta pitkin ja toimia ohjelmoitavana sirulla olevana kvanttiväylänä lomittumisporteille.

Näin ollen ne tuottavat laajemmasta laitteistosta puuttuvan rakenneosan nykyaikaisille suprajohtaville prosessoreille ja edistävät haastavaa tietä kohti skaalautuvaa kvanttilaskentaa.

Tutkimuksen läpimurron avain oli kahden idean yhdistelmä. Ensinnäkin perinteisten tasaisten magnonien sijaan tiimi viritti lyhytaaltoisia magnoneja, jotka ovat luonnostaan epäherkkiä kiteen pintavirheille – juuri niille virheille, jotka olivat rajoittaneet elinikää kaikissa aiemmissa kokeissa.

Toiseksi tutkijat jäähdyttivät erittäin puhtaita yttriumrautagranaattipalloja (YIG) sekafaasikryostaatissa vain 30 millikelviniin. Tässä äärimmäisessä kylmyydessä kaikki magnoneja tyypillisesti tuhoavat lämpöprosessit jäätyvät tehokkaasti.

Ratkaisevaa oli, että tiimi pystyi osoittamaan, että magnonin jäljellä olevaa eliniän rajaa ei määrää mikään luonnonlaki, vaan kiteen pienet epäpuhtaudet.

Kolmea eri puhtausasteen palloa testattiin, ja tulos oli selvä: mitä puhtaampi materiaali, sitä pidempään magnoni säilyy. Jopa vähiten puhdas näyte ylitti kaikki aiemmat ennätykset. Tämä tarkoittaa, että jatkokehitys on materiaalitieteen – ei uuden fysiikan löytämisen – asia, ja edessä oleva tie on avoin.

Aiheesta aiemmin:

Spin-aaltojen muuttaminen tietotekniikan signaaleiksi

Odottamattomia värähtelytiloja magneettipyörteissä