Ein Team von Physikern in Österreich hat flüchtige magnetische Wellen in langlebige Träger von Quanteninformationen verwandelt und damit die Möglichkeit von Quantencomputern in der Größe eines Pennys deutlich näher gebracht. Die Forscher verlängerten die Lebensdauer dieser Wellen, sogenannter Magnonen, von einigen hundert Nanosekunden auf 18 Mikrosekunden, eine Verbesserung um fast das 100-fache.
Das Magnon-Problem, das die Quantencomputer zurückhielt
Magnonen sind winzige Magnetisierungswellen, die sich durch magnetische Festkörper bewegen, ähnlich wie Wellen, die sich über einen Teich ausbreiten. Anders als Photonen, die durch leeren Raum oder Glasfasern reisen, bleiben Magnonen in magnetischen Materialien. Ihre Wellenlängen können auf nur wenige Nanometer schrumpfen, was bedeutet, dass daraus gebaute Schaltkreise auf Chips passen könnten, die nicht größer sind als die, die bereits in Smartphones zu finden sind.
Jahrelang war die größte Hürde ihre extrem kurze Lebensdauer. Magnonen überlebten nur wenige hundert Nanosekunden und verschwanden zu schnell, um Quanteninformationen zuverlässig zu speichern oder zu übertragen. Die neue Studie, geleitet von Andrii Chumak an der Universität Wien und veröffentlicht in Science Advances, ändert dieses Bild völlig.
Wie Forscher Magnonen fast 100-mal länger haltbar machten
Der Durchbruch gelang durch die Kombination zweier Techniken. Erstens erzeugte das Team anstelle von herkömmlichen gleichförmigen Magnonen kurzwelligen Magnonen. Diese sind von Natur aus weniger empfindlich gegenüber winzigen Defekten auf der Kristalloberfläche, die in früheren Experimenten die Magnonenlebensdauer verkürzt hatten. Zweitens verfeinerten die Forscher das Material selbst.
Sie entdeckten, dass die Hauptbegrenzung der Magnonenlebensdauer kein grundlegendes physikalisches Gesetz ist, sondern die Reinheit des Materials, durch das die Magnonen reisen. Das bedeutet, dass zukünftige Verbesserungen eher durch bessere Herstellung als durch völlig neue Entdeckungen kommen könnten.
Mit Lebensdauern, die nun 18 Mikrosekunden erreichen, nähern sich Magnonen den Zeitskalen an, die für praktische Quantentechnologien benötigt werden. Ihre Leistung ist nun mit den supraleitenden Qubits vergleichbar, die in heutigen führenden Quantenprozessoren verwendet werden. Magnonen interagieren auch auf natürliche Weise mit anderen fundamentalen Quasiteilchen, einschließlich Phononen und Photonen, was sie zu attraktiven Bausteinen für hybride Quantensysteme und die Quantenmetrologie macht.
Der Fortschritt könnte letztlich helfen, ultra-kompakte Quantencomputer zu bauen, möglicherweise so klein wie eine 1-Cent-Münze. Für lokale Forscher und die breitere Physikgemeinschaft in Österreich stellt das Ergebnis die Herausforderung neu dar: Der Weg zu kleineren Quantencomputern hängt nun mehr von der Materialtechnik ab als vom Umschreiben der physikalischen Gesetze.
