Durchbruch? Physikern könnte ein entscheidender Schritt zu neuartigen Mini-Quantencomputern auf Basis magnetischer Qubits gelungen sein. Im Experiment verlängerten sie die Lebensdauer von sogenannten Magnon-Qubits erstmals bis auf 18 Mikrosekunden – hundertmal länger als zuvor möglich. Magnonen entstehen durch Spinwellen in magnetischen Kristallmaterialien und gelten schon länger als vielversprechende Kandidaten für gut miniaturisierbare Festkörper-Quantencomputer. Aber ihre Stabilität reichte bisher nicht aus – das hat sich nun geändert.
Quantencomputer gelten als Rechner der Zukunft, sind bisher aber nur bedingt praktisch einsetzbar. Zum einen sind die Recheneinheiten dieser Quantensysteme, die Qubits, extrem sensibel. Schon kleinste Störungen lassen die quantenphysikalische Überlagerung und Verschränkung der Qubits kollabieren. Zum anderen benötigen heutige Quantencomputer oft komplexe, platzraubende Verkabelungen und Kühlsysteme. Forschende sind daher auf der Suche nach einfacher handhabbaren und kompakteren Systemen.
Spinwellen-Quasiteilchen als Qubits?
Eine solche Alternative könnten sogenannte Festkörperplattformen bieten – magnetische Materialien, in denen sogenannte Magnonen die Rolle der Qubits übernehmen. Diese Quasiteilchen entstehen durch die Bewegung von atomaren Spins im Material und ähneln winzigen Wellen in der Magnetisierung. Weil sich diese Wellenmuster wie Teilchen verhalten können und zudem nur wenige Nanometer klein sein können, gelten sie als mögliche Träger quantenphysikalischer Schaltkreise.
“Magnonen, vor allem im Gigahertz- Frequenzbereich, haben von sich aus ein wellenartiges Quantenverhalten, sind gut manipulierbar und zeigen reiche nichtlineare und nicht-reziproke physikalische Phänomene“, erklären Rostyslav Serha von der Universität Wien und seine Kollegen. Zudem können Magnonen an viele andere Quasiteilchen koppeln, wodurch man sie auch in hybriden Quantensystemen einsetzen könnte.
Der Haken jedoch: Magnonen haben eine extrem kurze Lebensdauer. In bisherigen Systemen zerfallen diese Quasiteilchen innerhalb von wenigen hundert Nanosekunden wieder – das ist viel zu kurz für jede praktische Quantenberechnung.
Bis zu 18 Mikrosekunden lang stabil
Doch jetzt ist den Physikern um Serha ein Durchbruch gelungen: Erstmals gelang es ihnen, Magnonen für bis zu 18 Mikrosekunden stabil zu halten. „Das ist fast hundertmal länger als jeder bislang beobachtete Wert“, erklärt das Team. Mit einer solchen Kohärenzzeit erreichen Magnonen erstmals eine Lebensdauer, die mit den in den meisten Quantencomputern eingesetzten supraleitenden Qubits vergleichbar ist. „Dies positioniert Magnonen als praktisch nutzbare, langlebige Informationsträger für das Festkörper-Quantencomputing“, schreiben die Forschenden.
Diesen Fortschritt erzielten die Physiker durch zwei entscheidende Faktoren. Sie nutzten zum einen nur eine bestimmte Variante der Magnonen, sogenannte kurzwellige Dipol-Austausch-Magnonen (DEM). Diese sind anders als die bisher meist eingesetzten Quasiteilchen weniger sensibel gegenüber Oberflächendefekten im Material und werden dadurch weniger leicht destabilisiert. Das Testmaterial bestand zudem aus ultrareinen, rund 300 Mikrometer kleinen Kugeln aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG). Dieses synthetisch gezüchtete Kristallmaterial hat besondere magnetoptische Eigenschaften.
Für ihr Experiment kühlten die Physiker drei Kugeln unterschiedlichen Reinheitsgrads auf 30 Millikelvin ab – knapp über dem absoluten Nullpunkt. Diese Kälte hemmt Vibrationen und thermische Prozesse, durch die Magnonen vorzeitig zerfallen. Dann regten sie das Material gezielt über Mikrowellen an.
Die Material-Reinheit ist entscheidend
Es zeigte sich: Die Lebensdauer der Magnonen hängt von der Reinheit des Materials ab. Auf der am wenigsten reinen, kommerziell gebräuchlichen YIG-Kristallkugel blieben die Magnonen nur 4,5 Mikrosekunden lang stabil –immer noch weit mehr als bisher möglich. „Bei der dritten, ultrareinen Kugel ergaben die Messungen aber sogar beeindruckende 18 Mikrosekunden Lebensdauer“, berichten Serha und seine Kollegen. Dies ist weit länger als in allen früheren Ansätzen.
Zwar erfordern diese Quantensysteme eine tiefe Kühlung, doch dies ist bei supraleitenden Quantenpunkten auch der Fall. Wie das Experiment zeigte, hat die Lebensdauer der Magnonen dann keine feste Grenze, sondern hängt primär von der Reinheit des kristallinen Materials ab. „Unsere Resultate eröffnen damit einen gangbaren Weg für die Materialforschung, die Magnon-Lebensdauer noch weiter zu verlängern“, schreiben die Physiker.
Quantencomputer von der Größe einer Cent-Münze
Nach Ansicht des Teams ebnet ihr Durchbruch damit den Weg zu neuartigen, kleinen Quantencomputern auf Magnon-Basis. „Dieser Grad der Kohärenz verwandelt die Magnonen von verlustreichen Zwischenformen zu robusten Quantenspeichern und verlustarmen Wellenleitern im Chipmaßstab“, konstatieren die Physiker. Festkörper-Systeme mit solchen Quasiteilchen als Qubits könnten ihren Angaben nach eine drastische Miniaturisierung von Quantencomputern ermöglichen – ein ganzer Rechner wäre dann kaum größer als eine Cent-Münze.
Weil Magnonen mit Photonen, Quantenpunkten, Phononen und vielen weiteren Quasiteilchen interagieren können, wären Magnon-Qubits zudem extrem kompatibel. Sie könnten daher als universelle „Übersetzer“ zwischen verschiedenen Quantenarchitekturen dienen. Dies wäre ein wichtiger Vorteil beispielsweise für hybride oder modulare Quantencomputer.
Quelle: Rostyslav Serha (Universität Wien) et al., Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aee2344
Quelle:
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