Forschende der Universität Wien haben die Lebensdauer von Magnonen deutlich verlängert und damit eine zentrale Hürde in der Quantenforschung adressiert. Die Ergebnisse könnten langfristig neue Ansätze für skalierbare und kompakte Quantencomputer ermöglichen.
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Von rechts nach links stehen Rostyslav Serha, Andrii Chumak, David Schmoll und Sebastian Knauer vor einem Kryostaten. Dieses Gerät dient zur Erzeugung und Stabilisierung extrem niedriger Temperaturen, wodurch die kontrollierte Anregung und präzise Detektion von Magnonen ermöglicht wird.
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Wien hat einen Fortschritt erzielt, der für die Weiterentwicklung von Quantentechnologien relevant sein könnte. Im Fokus stehen sogenannte Magnonen – Wellen in magnetischen Materialien, die als Träger von Quanteninformation dienen können. Ihre bisher sehr kurze Lebensdauer galt als wesentliche Einschränkung für praktische Anwendungen.
Durch eine gezielte Kombination aus Materialauswahl und experimentellen Bedingungen ist es gelungen, die Lebensdauer dieser Magnonen signifikant zu verlängern. Damit rücken neue Architekturen für Quantencomputer in greifbarere Nähe, insbesondere im Hinblick auf kompakte Bauformen und die Integration auf Chips.
Magnonen bewegen sich innerhalb magnetischer Festkörper und können als Informationsträger in hybriden Quantensystemen eingesetzt werden. Bisher lag ihre Lebensdauer bei wenigen hundert Nanosekunden, was ihren praktischen Einsatz stark begrenzte.
Das Forschungsteam konnte nun Lebensdauern von bis zu 18 Mikrosekunden erreichen – nahezu eine hundertfache Verbesserung gegenüber bisherigen Werten. In diesem Bereich werden Magnonen zu stabileren Trägern von Quanteninformation und können mit etablierten Technologien wie supraleitenden Qubits verglichen werden. Diese Entwicklung könnte neue Möglichkeiten für die Speicherung und Übertragung von Quanteninformation eröffnen.
Ein zentrales Ergebnis der Studie ist die Erkenntnis, dass die Lebensdauer von Magnonen nicht durch grundlegende physikalische Gesetze begrenzt ist, sondern maßgeblich von der Materialqualität abhängt. Experimente mit unterschiedlich reinen Proben zeigten, dass geringste Verunreinigungen die Lebensdauer beeinflussen.
Die Forschenden nutzten unter anderem ultrareine Kugeln aus Yttrium-Eisengranat, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurden. Zusätzlich kamen kurzwellige Magnonen zum Einsatz, die weniger anfällig für Störungen durch Materialdefekte sind. Diese Kombination erwies sich als entscheidend für die erzielten Ergebnisse.
Mit der verlängerten Lebensdauer verändern sich die Einsatzmöglichkeiten von Magnonen grundlegend. Sie könnten künftig als stabile Speicher oder als Verbindungselemente zwischen verschiedenen Qubits dienen. Damit eröffnen sich Perspektiven für sogenannte Quantenbusse, die mehrere Qubits innerhalb eines Systems effizient miteinander verknüpfen.
Zudem könnten Magnonen als Schnittstelle zwischen unterschiedlichen Quantentechnologien fungieren, da sie mit verschiedenen Quasiteilchen wie Photonen oder Phononen koppeln können. Langfristig könnte dies zur Entwicklung kompakter Quantencomputer beitragen, deren Komponenten auf engstem Raum integriert sind – etwa in Form von Systemen im Format heutiger Mikroelektronik.
