一群物理學家透過大幅延長攜帶量子資訊的磁振子的壽命，克服了量子計算中的一個主要障礙。研究人員將它們的壽命從幾百奈秒延長到 18 微秒，比之前的壽命延長了近 100 倍。這一突破最終可能有助於製造超緊湊的量子計算機，可能小至 1 美分硬幣。
維也納大學 Andrii Chumak 領導的國際研究小組也發現了一個重要的見解。事實證明，磁振子的壽命最終並不受到物理定律的限制，而是受到它們所經過的材料品質的限制。他們的研究結果發表在 科學進步。
什麼是馬努斯？
磁振子是穿過磁性固體的微小磁化波。它們可以比喻為一塊石頭投入水中後在池塘上蔓延的漣漪。與穿過真空或光纖的光子不同，磁振子保留在磁性材料內部。
由於波長低至幾奈米，基於磁振子的電路可以安裝到不比智慧型手機中的晶片大的晶片中。磁振子也自然地與其他基本準粒子（包括聲子和光子）相互作用，這使它們成為混合量子系統和量子計量學的有吸引力的建構模組。
解決馬格農的生活問題
多年來，磁振子技術面臨的最大挑戰之一是其非常短的使用壽命。因為它們存活了幾百納秒，所以它們消失得太快，無法可靠地儲存或傳輸量子資訊。
新的研究改變了這種情況。透過將磁振子的壽命延長至 18 微秒，研究人員將這些曾經難以捉摸的訊號轉變為量子訊息的永久載體。它們的性能接近實用量子技術所需的時間尺度，並使磁振子可與當今主流量子處理器中使用的超導量子位元相媲美。
研究人員如何取得突破
這項突破源自於兩種重要技術的結合。
首先，團隊沒有使用通常的均勻磁振子，而是創建了短波長磁振子。這些本質上對晶體表面的小缺陷不太敏感，這縮短了先前實驗中磁振子的壽命。
其次，研究人員在混合相低溫恆溫器內將超純釔鐵石榴石 (YIG) 球體冷卻至僅 30 毫開爾文。在溫度僅高於絕對零度一點點的情況下，通常會破壞磁振子的熱過程實際上被凍結了。
設定限制的是材料，而不是物理
也許最令人驚訝的發現是目前限制磁振子壽命的因素的確定。
透過測試三個不同純度的 YIG 球體，研究人員發現了一個清晰的模式。水晶越純淨，磁振子的壽命就越長。即使是最小的純樣品也能通過之前的所有實驗。
結果表明，未來的改進主要取決於材料科學的進步，而不是克服不可避免的自然法則。隨著研究人員開發出更純的磁性材料，磁振子的壽命可能會繼續延長。
為什麼這在量子計算中很重要
隨著磁振子的壽命達到 18 微秒，它不再只是臨時訊號。它們可以作為可靠的量子儲存設備和低損耗通訊通道，在晶片上傳輸量子資訊。
研究人員表示，宏器最終可以透過共享路徑連接數百個量子位，創建期待已久的“量子總線”，這將有助於擴展未來的量子電腦。由於磁振子自然地與許多不同的量子系統相互作用，因此它們還可以充當通用翻譯器，使通常無法相互通信的技術能夠協同工作。
該研究基於 Rostyslav Serha 在博士研究期間進行的實驗。該計畫由維也納大學牽頭，與科羅拉多大學科羅拉多斯普林斯分校以及德國、美國和烏克蘭的研究機構合作。合著者凱特琳·麥卡利斯特（Kaitlin McAllister）透過維也納物理博士學院參加了該學院的研究，該學院為來自世界各地的優秀碩士生提供實習機會。
