Magnonen leben hundertmal länger: Ein Durchbruch für Quantencomputer in Münzgröße
Forscher in Wien haben die Lebensdauer winziger magnetischer Wellen um das Hundertfache verlängert. Statt nach Nanosekunden zu verschwinden, halten sie jetzt lange genug für zuverlässige Quantenoperationen an.
Sekundenbruchteile, flüchtiger als ein Wimpernschlag - so lange existierten Magnonen, winzige magnetische Anregungen, die als Träger für Quanteninformationen eigentlich ideale Eigenschaften besitzen. Sie bleiben im Material, sie brauchen kein Licht, und ihre Wellenlängen passen auf einen Chip. Nur: Sie starben zu schnell. Einem Team der Universität Wien ist jetzt ein entscheidender Wurf gelungen, der diese flüchtigen Signale in langlebige Informationsträger verwandelt. Die Forscher verlängerten die Lebensdauer auf bis zu 18 Mikrosekunden - fast das Hundertfache des bisher Erreichten.
Die Welle, die im Magneten bleibt
Magnonen sind keine Teilchen im klassischen Sinn, sondern Quasiteilchen: kollektive Anregungen der magnetischen Ordnung in einem Festkörper. Man kann sie sich vorstellen wie Wellen, die über die geordnete Struktur der Elektronenspins hinweglaufen, ähnlich einer La-Ola-Welle im Stadion - nur dass hier die atomaren magnetischen Momente kollektiv kippen. Anders als Photonen, die sich durch Glasfasern oder Vakuum bewegen, bleiben Magnonen strikt innerhalb magnetischer Materialien. Gerade das macht sie attraktiv für integrierte Schaltkreise auf Quantenbasis: Ihre Wellenlängen können auf wenige Nanometer schrumpfen, Schaltungen ließen sich potenziell auf Chips unterbringen, die nicht größer als eine Ein-Euro-Münze sind.
Doch die Lebensdauer war bisher ein K.-o.-Kriterium. „Sie überlebten nur wenige hundert Nanosekunden, viel zu kurz, um Quanteninformation zuverlässig zu speichern oder zu übertragen“, erklärt Andrii Chumak, der die Studie an der Universität Wien leitete. Das Team um den Doktoranden Rostyslav Serha hat dieses Problem nun an der Wurzel gepackt - mit einer doppelten Strategie aus Physik und Materialwissenschaft.
Die doppelte Strategie: kurze Wellen, extreme Kälte
Der erste Trick bestand darin, konventionelle, langwellige Magnonen zu vermeiden und stattdessen kurzwellige Anregungen zu nutzen. Diese Variante reagiert weit weniger empfindlich auf mikroskopische Defekte an der Kristalloberfläche - winzige Unregelmäßigkeiten, die in früheren Experimenten jede Anregung binnen Nanosekunden zerstört hatten. Kurzwellige Magnonen tasten gewissermaßen nur die obersten, perfekt geordneten Atomschichten ab und ignorieren die darunter liegenden Störstellen.
Der zweite, ebenso wichtige Schritt war die Wahl der Umgebung. Die Forscher kühlten hochreine Kugeln aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) in einem Mischkryostaten auf lediglich 30 Millikelvin herunter - nur dreißig Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen Temperaturen ist die thermische Bewegung der Atome nahezu eingefroren; die unvermeidlichen Stöße, die einem Magnon seine Energie und damit seine kohärente Quanteninformation rauben würden, finden praktisch nicht mehr statt.
Das Resultat übertraf die Erwartungen. Statt nach wenigen hundert Nanosekunden zu verpuffen, blieben die Magnonen bis zu 18 Mikrosekunden stabil. Das mag nach menschlichem Zeitempfinden immer noch lächerlich kurz erscheinen, doch in der Welt supraleitender Qubits, der heutigen Arbeitspferde des Quantencomputings, sind solche Zeitskalen durchaus konkurrenzfähig. Die Magnonen erreichen damit eine Schwelle, an der praktische Quantenanwendungen im Bereich des Möglichen liegen.
Nicht Physik, sondern Material setzt die Grenze
Das vielleicht bemerkenswerteste Ergebnis der Studie, veröffentlicht in Science Advances, ist eine fundamentale Erkenntnis darüber, was die Lebensdauer eigentlich begrenzt. Das Team testete drei YIG-Kugeln mit abgestufter Reinheit. Das Muster war glasklar: Je reiner der Kristall, desto länger die Lebensdauer. Selbst die am stärksten verunreinigte Probe überbot noch alle früheren Experimente.
„Die Lebensdauer von Magnonen ist nicht letztlich durch ein unvermeidbares physikalisches Gesetz begrenzt, sondern durch die Qualität des Materials, durch das sie sich bewegen“, folgern die Forscher. Anders gesagt: Das Ende der Fahnenstange ist nicht erreicht. Künftige Fortschritte hängen in erster Linie von der Materialwissenschaft ab - von besseren, noch reineren Herstellungsverfahren für magnetische Kristalle. Wenn es gelingt, die Reinheit weiter zu steigern, dürften auch die Lebensdauern weiter steigen. Der fundamentale physikalische Rahmen gibt das her, die Ingenieurskunst muss es nur umsetzen.
Google · Deine QuellenWissnox höher in Ihrem Google - mit einem KlickZu bevorzugten Quellen hinzufügen →Der Quantenbus und die Rolle des universellen Übersetzers
Warum ist diese Langlebigkeit so entscheidend für die Zukunft der Quantentechnologie? Die Antwort liegt in der Architektur künftiger Quantencomputer. Ein zentrales Problem besteht darin, Qubits - die elementaren Recheneinheiten - miteinander kommunizieren zu lassen, ohne ihre fragile Quantenkohärenz zu zerstören. Magnonen könnten diese Rolle eines verlustarmen Kommunikationskanals übernehmen, eines sogenannten Quantenbusses.
„Magnonen könnten Hunderte von Qubits über einen gemeinsamen Pfad verbinden und so helfen, zukünftige Quantencomputer zu skalieren“, so die Vision der Wiener Gruppe. Weil sie von Natur aus mit anderen fundamentalen Quasiteilchen wechselwirken - mit Photonen ebenso wie mit Phononen, den Quanten mechanischer Schwingungen - , könnten sie zudem als universelle Übersetzer zwischen unterschiedlichen Quantensystemen fungieren. Technologien, die normalerweise nicht miteinander kommunizieren können, fänden über eine magnonische Brücke zueinander.
Die physikalischen Zutaten für diesen Schritt sind nun vorhanden. Ein Magnon von 18 Mikrosekunden Lebensdauer ist kein flüchtiges Zischen mehr, es ist ein belastbares Signal, das sich manipulieren, speichern und auslesen lässt. Die Arbeit, betont das Team, entstand im Rahmen einer internationalen Kollaboration unter Beteiligung der University of Colorado, Colorado Springs, sowie von Forschungsinstitutionen in Deutschland, der Ukraine und den USA.
Die Suche nach einer geeigneten Plattform für Quanteninformation ist kein Sprint, sondern eine materialwissenschaftliche Geduldsprobe. Mit jeder gesteigerten Reinheit wächst die Lebensdauer - und mit jeder Mikrosekunde rückt ein Quantencomputer in Münzgröße ein Stück näher an den Rand des Machbaren.
Quellen:
- Directly probing the carrier transfer length in 2D-material transistors (Nature - News)
- Heat-triggered phospholipid flipping stabilizes plasma membrane fluidity (Nature - News)
- Tiny magnetic waves could unlock quantum computers the size of a penny (ScienceDaily - All)
- Scientists create quantum sound device that could transform communications (ScienceDaily - All)
- Mediterranean Sea breaks June surface heat record (ESA - Space News)
- Random wobbles in time could finally solve gravity’s greatest mystery (New Scientist)
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