کشفی تازه که می‌تواند راه را برای رایانه‌های کوانتومی به اندازه یک سکه باز کند

به گزارش آذرنگارنده:

پژوهشگران دانشگاه وین در دستاوردی تازه توانسته‌اند طول عمر «مگنون‌ها» را به شکلی چشمگیر افزایش دهند؛ پیشرفتی که می‌تواند یکی از موانع اصلی در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی بسیار کوچک و قدرتمند را برطرف کند.

مگنون‌ها سال‌هاست به‌عنوان یکی از گزینه‌های امیدوارکننده برای فناوری‌های کوانتومی شناخته می‌شوند، اما یک مشکل اساسی همیشه مانع استفاده عملی از آن‌ها بوده است: این برانگیختگی‌های مغناطیسی معمولاً خیلی سریع از بین می‌روند و زمان کافی برای حمل یا نگهداری اطلاعات کوانتومی در اختیار نمی‌گذارند.

اکنون یک تیم بین‌المللی از فیزیکدانان به رهبری آندری چومک در دانشگاه وین نشان داده‌اند که می‌توان طول عمر مگنون‌ها را از تنها چند صد نانوثانیه به حدود ۱۸ میکروثانیه رساند؛ یعنی تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر از مقادیر ثبت‌شده قبلی.

نتایج این پژوهش در نشریه Science Advances منتشر شده است.

مگنون چیست و چرا اهمیت دارد؟

مگنون‌ها نوعی برانگیختگی در مواد مغناطیسی هستند که به شکل موج‌هایی کوچک در مغناطش ماده حرکت می‌کنند؛ چیزی شبیه موج‌هایی که پس از افتادن سنگ در آب روی سطح آن پخش می‌شود. برخلاف فوتون‌ها که می‌توانند در خلأ یا فیبرهای نوری حرکت کنند، مگنون‌ها درون مواد جامد مغناطیسی حرکت می‌کنند.

اهمیت این ذرات در این است که طول موج آن‌ها می‌تواند تا مقیاس نانومتری کوچک شود. به همین دلیل، در تئوری می‌توان مدارهای مگنونی را روی تراشه‌هایی بسیار کوچک، حتی هم‌اندازه تراشه‌های امروزی تلفن‌های هوشمند، ساخت.

از سوی دیگر، چون مگنون یک برانگیختگی درون جامد است، به‌طور طبیعی می‌تواند با دیگر شبه‌ذرات و سامانه‌های کوانتومی مانند فوتون‌ها و فونون‌ها برهم‌کنش داشته باشد. همین ویژگی، آن را به گزینه‌ای جذاب برای ساخت سامانه‌های هیبریدی کوانتومی و ابزارهای دقیق اندازه‌گیری کوانتومی تبدیل می‌کند.

مانع بزرگ: عمر بسیار کوتاه

مشکل اصلی این بود که مگنون‌ها پیش از این خیلی زود ناپدید می‌شدند. در بهترین آزمایش‌های قبلی، طول عمر آن‌ها فقط به چند صد نانوثانیه می‌رسید؛ زمانی بسیار کوتاه که برای رایانش کوانتومی عملی کافی نبود.

اما اکنون پژوهشگران موفق شده‌اند این زمان را تا ۱۸ میکروثانیه افزایش دهند. در این بازه زمانی، مگنون‌ها دیگر فقط سیگنال‌هایی زودگذر نیستند، بلکه می‌توانند به حامل‌هایی قابل اتکا برای اطلاعات کوانتومی تبدیل شوند؛ نقشی شبیه آنچه کیوبیت‌های ابررسانا در بسیاری از پردازنده‌های کوانتومی امروزی ایفا می‌کنند.

این پیشرفت چگونه به دست آمد؟

این دستاورد حاصل ترکیب دو راهکار اصلی بود:

۱. استفاده از مگنون‌های کوتاه‌موج

پژوهشگران به جای استفاده از نوع متداول و یکنواخت مگنون‌ها، از مگنون‌های کوتاه‌موج بهره گرفتند. این نوع مگنون‌ها کمتر تحت تأثیر نقص‌های سطحی بلور قرار می‌گیرند؛ همان نقص‌هایی که در آزمایش‌های قبلی باعث کوتاه شدن عمر مگنون‌ها می‌شدند.

۲. سرد کردن شدید ماده تا نزدیکی صفر مطلق

در این پژوهش از کره‌های بسیار خالص گارنت آهن-ایتریوم (YIG) استفاده شد که در یک سامانه سرمایشی ویژه تا دمای ۳۰ میلی‌کلوین، یعنی کسری بسیار ناچیز از یک درجه بالاتر از صفر مطلق، سرد شدند. در چنین دمای بسیار پایینی، فرایندهای گرمایی که معمولاً مگنون‌ها را از بین می‌برند، تقریباً متوقف می‌شوند.

نکته مهم‌تر: محدودیت از جنس ماده است، نه قانون طبیعت

یکی از مهم‌ترین یافته‌های این مطالعه این بود که محدودیت فعلی طول عمر مگنون‌ها، ناشی از یک قانون بنیادی فیزیک نیست. در عوض، این محدودیت بیشتر به ناخالصی‌های بسیار جزئی در بلور مربوط می‌شود.

پژوهشگران سه کره با درجات خلوص متفاوت را آزمایش کردند و نتیجه روشن بود: هرچه ماده خالص‌تر بود، مگنون‌ها مدت بیشتری دوام می‌آوردند. حتی کم‌خلوص‌ترین نمونه هم از رکوردهای قبلی بهتر عمل کرد.

این یافته اهمیت زیادی دارد، چون نشان می‌دهد مسیر پیشرفت بعدی لزوماً به کشف فیزیک جدید وابسته نیست، بلکه می‌تواند با بهبود کیفیت مواد ادامه پیدا کند.

این کشف چه معنایی برای آینده رایانش کوانتومی دارد؟

اگر مگنون‌ها بتوانند برای مدت طولانی‌تری پایدار بمانند، ممکن است از یک واسطه پراتلاف به حافظه‌های کوانتومی پایدار و کانال‌های کم‌اتلاف انتقال اطلاعات روی تراشه تبدیل شوند.

پژوهشگران می‌گویند مگنون‌ها شاید بتوانند صدها کیوبیت را در یک مسیر مشترک به هم متصل کنند و چیزی شبیه یک «اتوبوس کوانتومی» بسازند؛ قطعه‌ای کلیدی که مدت‌هاست برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر به آن نیاز است.

علاوه بر این، چون مگنون‌ها می‌توانند با سامانه‌های کوانتومی مختلف برهم‌کنش داشته باشند، شاید در آینده نقش مترجم جهانی را در معماری‌های هیبریدی کوانتومی ایفا کنند و میان فناوری‌هایی که به‌راحتی با هم ارتباط برقرار نمی‌کنند، پل بزنند.

در چنین شرایطی، ایده ساخت رایانه‌های کوانتومی بسیار کوچک، حتی در ابعادی نزدیک به یک سکه، دیگر فقط یک تصور دور از ذهن نخواهد بود.

این پژوهش با عنوان

Ultralong-living magnons in the quantum limit

در تاریخ ۱ مه ۲۰۲۶ در نشریه Science Advances منتشر شده است.