Co jsou magnony a proč jsou tak důležité

Magnony patří mezi takzvané kvazičástice - kolektivní excitace vznikající uvnitř materiálů. Můžeme si je představit jako drobné vlny magnetizace, které se šíří magnetickými pevnými látkami podobně, jako se po hladině vody šíří kruhy po dopadu kamene.

Na rozdíl od fotonů, které mohou cestovat vakuem nebo optickými vlákny, se magnony pohybují výhradně uvnitř magnetických materiálů.

Jejich obrovská výhoda je ta, že jsou schopny dosahovat mimořádně krátkých vlnových délek, a to až v řádu nanometrů. Díky tomu by bylo možné vytvářet magnonické obvody s extrémně vysokou hustotou integrace, které by se vešly na čipy srovnatelné s těmi, které dnes nacházíme v chytrých telefonech.

Magnony mají navíc ještě jednu zásadní přednost. Protože existují uvnitř pevných látek, mohou přirozeně interagovat s dalšími kvazičásticemi, například s fonony, které představují vibrace krystalové mřížky, nebo s fotony. To z nich dělá potenciální spojovací článek mezi různými kvantovými technologiemi.

Největší problém je krátkodobost

Přestože se o magnonech hovoří již řadu let jako o slibné platformě pro kvantové technologie, jejich praktickému využití dlouho bránila jedna konkrétní překážka.

Magnony zanikaly příliš rychle.

V kvantových systémech je životnost nosiče informace naprosto kritická. Pokud kvantový stav zanikne příliš brzy, není možné s ním provádět složitější výpočty ani jej efektivně přenášet mezi jednotlivými částmi procesoru.

V případě magnonů to byla otázka pouze několika stovek nanosekund, na což narážely dosavadní experimenty, které byly provedeny. Tak krátká doba představuje pro praktické kvantové počítače vážný problém a znatelně omezuje možnosti jejich využití.

Rekordních 18 mikrosekund

Výzkumný tým nyní oznámil, že se mu podařilo naměřit životnost magnonů dosahující až 18 mikrosekund. Na první pohled to může vypadat, že jde stále o zanedbatelně krátký časový úsek. Ve světě kvantové fyziky však představuje obrovský skok vpřed.

Nově dosažená hodnota je téměř stokrát vyšší než všechny předchozí experimentální rekordy.

Takto dlouho aktivní magnony už nepůsobí jako krátkodobé a nespolehlivé signály. Naopak začínají se podobat stabilním nosičům kvantové informace, které mohou konkurovat i supravodivým qubitům používaným v dnešních nejpokročilejších kvantových procesorech.

Podle autorů studie by tento progres mohl v budoucnu umožnit vznik mimořádně kompaktních kvantových počítačů, jejichž velikost by se mohla blížit rozměrům běžné mince.

Je to velmi ambiciózní plán, to je třeba si přiznat.

Jak se podařilo překonat dosavadní limity

Úspěch výzkumníků nebyl důsledek jedné jediné inovace, ale spíše kombinace dvou různých přístupů.

Začali tím, že využili magnony s krátkou vlnovou délkou. Ty jsou podstatně méně citlivé na nedokonalosti povrchu krystalu, které v minulosti představovaly jeden z hlavních zdrojů ztrát, neboť povrchové vady velmi rozptylují energii a urychlují zánik magnonů.

Další faktor bylo extrémní ochlazení experimentálního systému. Vědci použili vysoce čisté kulové vzorky materiálu známého jako yttrium-železitý granát (YIG). Ty posléze umístili do kryostatu a ochladili na teplotu pouhých 30 milikelvinů.

Jak všichni asi víme, absolutní nula odpovídá teplotě −273,15 °C, zatímco ta použitá v experimentu byla vyšší jen nepatrně.

Za takových podmínek prakticky zamrzají tepelné procesy, které běžně způsobují ztrátu energie a rozhazují kvantové stavy. Magnony tak logicky budou existovat výrazně déle než při vyšších teplotách.

Limitem nejsou fyzikální zákony

Jedno z nejzajímavějších zjištění celé studie je fakt, že dosažená hranice životnosti zřejmě nepředstavuje fundamentální limit daný fyzikálními zákony. 

Výzkumníci analyzovali tři různé YIG koule s odlišnou mírou čistoty materiálu, což odhalilo, že čím čistší byl krystal, tím déle magnony přežívaly.

Dokonce i ten nejméně čistý vzorek překonal všechny dřívější rekordy.

To nám vlastně napovídá, že budoucí zlepšení nemusí vyžadovat nové fyzikální objevy. Mnohem důležitější bude hlavně rozvoj materiálového inženýrství a výroba ještě kvalitnějších krystalů s minimálním množstvím nečistot.

Co to znamená pro budoucnost kvantových počítačů

Znamená to, že místo krátkodobých mezičlánků by se mohly stát plnohodnotnými kvantovými paměťmi nebo efektivními komunikačními kanály uvnitř kvantových čipů. Vědci si představují, že by jeden magnonický systém mohl propojit stovky qubitů současně a fungovat jako kvantová sběrnice, po níž by se přenášela kvantová informace napříč procesorem.

To je mimo jiné jedna z dnešních největších výzev v oblasti vývoje kvantových počítačů. Magnony by proto mohly představovat jedno z řešení, které umožní stavbu výrazně větších a výkonnějších systémů.

Univerzální překladatel mezi kvantovými technologiemi

Možnosti využití však zdaleka nekončí pouze u kvantových počítačů.

Magnony mají schopnost interagovat s různými kvantovými systémy, proto by dost dobře posloužily jako univerzální prostředník mezi technologiemi, které spolu dnes komunikují jen velmi obtížně. Třeba zrovna k propojení fotonických systémů založených na světle s dalšími typy kvantových procesorů nebo citlivých kvantových senzorů.

Zkrátka takové perspektivní hybridní architektury, jejichž využití by bylo sice střízlivé, ale zároveň vícevrstevní. 

Pokud se to někdy podaří výrazně rozpohybovat, určitě o tom ještě napíšeme další články.