В мире квантовой физики произошло событие, которое может приблизить по-настоящему компактные квантовые компьютеры. Речь идет о магнонах — крошечных волнах намагниченности, которые бегут внутри твердых материалов, как круги по воде от брошенного камня. До сих пор главной бедой этих волн была их скоротечность: они жили всего несколько сотен наносекунд, что совершенно недостаточно для серьезных вычислений. Однако исследователям из Венского университета удалось продлить время жизни магнона почти в сто раз — до 18 микросекунд. Это меняет правила игры.
Магноны и их место в мире квантовых технологий
Магноны — это не частицы в привычном смысле, а коллективные возбуждения, которые распространяются в магнитных материалах. Их удобно представлять как рябь, бегущую по поверхности пруда, только вместо воды — твердый кристалл. В отличие от фотонов, которым нужна пустота или оптоволокно, магноны путешествуют прямо внутри вещества. Длина их волны может быть ничтожно мала — вплоть до нанометров, поэтому магнонные схемы в теории умещаются на чипе размером с современный процессор смартфона.
Кроме того, магноны легко взаимодействуют с другими квазичастицами — фононами, фотонами и так далее. Это делает их идеальными «переводчиками» в гибридных квантовых системах, где нужно соединять разные типы кубитов. Но до недавнего времени у магнонов был серьезный недостаток.
Почему магноны не могли работать долго
Время жизни магнона — это тот промежуток, в течение которого он может надежно нести квантовую информацию. Для практической работы нужно хотя бы несколько микросекунд, а лучшие показатели прошлых лет не превышали нескольких сотен наносекунд. Такая короткая жизнь объяснялась дефектами на поверхности кристаллов — именно они «съедали» магноны, не давая им просуществовать дольше. Казалось, что это фундаментальное ограничение.
Но команда физиков под руководством исследователей из Вены нашла способ обойти эту проблему. Они применили два ключевых приема, которые в совокупности дали поразительный результат.
Два секрета рекордного времени жизни
Первый прием — использование коротковолновых магнонов вместо обычных. Такие волны оказались нечувствительны к дефектам поверхности, которые раньше все портили. Второй прием — экстремальное охлаждение. Ученые взяли сверхчистые шарики из железо-иттриевого граната (YIG) и поместили их в криостат, где поддерживалась температура всего 30 милликельвинов — это почти абсолютный ноль. При таком холоде все тепловые процессы, которые обычно разрушают магноны, просто замирают.
Исследователи проверили три образца разной степени чистоты. Результат оказался предсказуемым, но впечатляющим: чем чище материал, тем дольше живет магнон. Даже самый грязный образец побил все предыдущие рекорды. Это означает, что дело не в законах физики, а в качестве материалов — а значит, прогресс будет только ускоряться.
18 микросекунд — что это дает на практике
Время жизни в 18 микросекунд превращает магноны из ненадежных переносчиков в полноценные квантовые ячейки памяти и линии связи. Теперь они могут соединять сотни кубитов на одной подложке, работая как долгожданная «квантовая шина» — элемент, без которого нельзя построить масштабируемый квантовый компьютер. По своим характеристикам такие магноны уже сравнимы с кубитами на сверхпроводниках, которые сегодня считаются лидерами в этой гонке.
Поскольку магноны существуют в твердом теле и легко стыкуются с разными квантовыми системами, они способны стать универсальным связующим звеном между технологиями, которые раньше не могли общаться друг с другом. Результаты исследования были опубликованы в престижном журнале Science Advances.
Открытие венских физиков показывает, что главное препятствие на пути к миниатюрным квантовым компьютерам лежит не в области фундаментальной теории, а в умении получать чистые кристаллы. Если материаловеды справятся со своей задачей, магнонные схемы могут лечь в основу процессоров, которые будут и мощнее, и компактнее нынешних квантовых машин. Дорога к таким чипам теперь открыта.
