Magnonen sind winzige Wellen in der Magnetisierung und ideale Bausteine für hybride Quantensysteme und die Quantenmetrologie. Die bisher zu kurze Lebensdauer von maximal einigen hundert Nanosekunden ist allerdings eine Hürde. Einem internationalen Team von Physiker*innen unter Leitung von Andrii Chumak von der Uni Wien gelang es nun, diese Lebensdauer um das Hundertfache auf bis zu 18 Mikrosekunden zu verlängern – damit ist der Weg frei zu einem Quantencomputer in der Größe einer 1-Cent-Münze. Die Wissenschafter*innen haben außerdem die entscheidende Entdeckung gemacht, dass kein physikalisches Grundgesetz die Lebensdauer der Magnonen regelt, sondern dass es eine Frage der Materialien ist. Die Studie wurde aktuell in der renommierten Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Magnonen sind winzige Wellen in der Magnetisierung, die durch feste magnetische Materialien wandern, ähnlich wie Wellen, die sich auf einem Teich ausbreiten, wenn man einen Stein hineinwirft. Im Gegensatz zu Photonen, die sich durch leeren Raum oder Glasfasern bewegen, breiten sich Magnonen innerhalb eines magnetischen Festkörpers aus. Ihre Wellenlängen lassen sich bis in den Nanometerbereich verkleinern, sodass magnonische Schaltkreise im Prinzip auf einen Chip passen könnten, der nicht größer ist als jene in heutigen Smartphones. Darüber hinaus koppelt ein Magnon als Anregung eines Festkörpers auf natürliche Weise an zahlreiche andere fundamentale Quasiteilchen – Phononen, Photonen und weitere –, was es zu einem idealen Baustein für hybride Quantensysteme und die Quantenmetrologie macht.
Bisher gab es ein großes Hindernis: Magnonen hatten eine sehr kurze Lebensdauer. Diese Lebensdauer – die Zeitspanne, in der sie zuverlässig Quanteninformation tragen können – war auf bestenfalls einige hundert Nanosekunden begrenzt. Viel zu kurz für jede praktische Quantenberechnung. Dem Team unter Wiener Leitung gelang nun ein Durchbruch: Die Physiker*innen konnten Magnonen-Lebensdauern von bis zu 18 Mikrosekunden messen – fast hundertmal länger als jeder bislang beobachtete Wert. In diesem Zustand sind Magnonen keine flüchtigen Signale mehr, sondern werden zu langlebigen, zuverlässigen Trägern von Quanteninformation, vergleichbar mit den supraleitenden Qubits, die in heutigen führenden Quantenprozessoren zum Einsatz kommen.
Der Schlüssel zu diesem Durchbruch war eine Kombination zweier Ideen. Erstens regte das Team anstelle der konventionellen gleichförmigen Magnonen kurzwellige Magnonen an, die von Natur aus unempfindlich gegenüber Oberflächendefekten im Kristall sind – genau jene Defekte, die die Lebensdauern in allen früheren Experimenten begrenzt hatten. Zweitens kühlten die Forschenden ultrareine Kugeln aus Yttrium-Eisengranat (YIG) in einem Mischungskryostaten auf nur 30 Millikelvin ab – einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt. Bei dieser extremen Kälte frieren sämtliche thermischen Prozesse, die Magnonen üblicherweise zerstören, effektiv ein.
Entscheidend ist: Das Team konnte zeigen, dass die verbleibende Begrenzung der Magnonen-Lebensdauer nicht durch ein fundamentales Naturgesetz bestimmt wird, sondern durch winzige Spurenverunreinigungen im Kristall. Drei Kugeln unterschiedlicher Reinheit wurden getestet, und das Ergebnis war eindeutig: Je sauberer das Material, desto länger überlebt das Magnon. Selbst die am wenigsten reine Probe übertraf alle bisherigen Rekorde. Das bedeutet, dass weiterer Fortschritt eine Frage der Materialwissenschaft ist – nicht der Entdeckung neuer Physik –, und der Weg voraus steht weit offen.
Was das für die Quantentechnologie bedeutet
Mit Lebensdauern von 18 Mikrosekunden wandeln sich Magnonen von verlustbehafteten Zwischengliedern zu robusten Quantenspeichern und verlustarmen Kommunikationsverbindungen auf einem Chip. Sie könnten Hunderte von Qubits entlang eines gemeinsamen Pfades verbinden – ein lang ersehnter "Quantenbus", der ein fehlender Baustein für skalierbare Quantencomputer wäre. Weil Magnonen in einem Festkörper leben und an viele verschiedene Quantensysteme koppeln, könnten sie als universelle Übersetzer in hybriden Quantenarchitekturen dienen und Technologien verbinden, die sonst nicht miteinander kommunizieren können.
Zusammenfassung:
- Magnonen sind ideale Bausteine für hybride Quantensysteme und die Quantenmetrologie.
- Bisherige Hürde war die zu kurze Lebensdauer von Magnonen von maximal einigen hundert Nanosekunden.
- Den Physiker*innen unter Leitung der Uni Wien gelang es nun, diese Lebensdauer um das Hundertfache auf bis zu 18 Mikrosekunden zu verlängern.
- Eine entscheidende Entdeckung in diesem Prozess: kein physikalisches Grundgesetz regelt die Lebensdauer der Magnonen, vielmehr handelt es sich um eine Frage der Materialwissenschaft.
- Damit ist der Weg zu einem Quantencomputer in der Größe einer 1-Cent-Münze frei.
Die Studie basiert auf einem Experiment, das Rostyslav Serha im Rahmen seiner Dissertation durchführte. Die Studie wurde unter Leitung der Universität Wien mit der University of Colorado, Colorado Springs sowie Institutionen in Deutschland, den USA und der Ukraine durchgeführt. Die Arbeit der Mitautorin Kaitlin McAllister wurde durch die Vienna Doctoral School in Physics ermöglicht, die Praktika für herausragende Masterstudierende aus aller Welt anbietet.