Magnon-Durchbruch: Quantencomputer könnten auf Münzgröße schrumpfen

Ihre Wellenlängen können sich auf die Nanometerskala verkleinern, was bedeutet, dass magnonische Schaltkreise theoretisch auf Chips so klein wie die in modernen Smartphones passen könnten.

Da Magnonen Anregungen innerhalb eines Festkörpers sind, können sie anderen fundamentalen Quasiteilchen, einschließlich Phononen und Photonen, wechselwirken, was sie zu vielversprechenden Komponenten für hybride Quantensysteme und die Quantenmetrologie macht. Die Hauptbeschränkung lag bisher in ihrer extrem kurzen Lebensdauer.

Bisher konnten Magnonen Quanteninformation zuverlässig nur für wenige hundert Nanosekunden tragen, was für die praktische Quantencomputing zu kurz ist. Das nun einen bedeutenden Fortschritt erzielt: Es konnte Magnonen-Lebensdauern 18 Mikrosekunden messen – fast hundertmal länger als jede vorherige Beobachtung.

Technik und Auswirkungen

Damit wird der Weg geebnet für einen Quantencomputer, der die Größe einer 1-Cent-Münze hat. Auf dieser Skala hören Magnonen auf, sich wie kurzlebige Signale zu verhalten, und beginnen, zuverlässige Träger, vergleichbar mit den supraleitenden Qubits, die in heutigen führenden Quantenprozessoren eingesetzt werden.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. Kältere Kristalle zeigten die Grenze. Der Fortschritt resultiert aus der Kombination zweier Strategien. Erstens erzeugte das Team statt konventioneller gleichförmiger Magnonen Magnonen mit kurzer Wellenlänge, die Defekte an der Kristalloberfläche beeinflusst werden.

In früheren Experimenten hatten diese Oberflächendefekte die Magnonen-Lebensdauern begrenzt. Zweitens platzierten die Forscher extrem reine Kugeln aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) in einem Mischphasen-Kryostaten und kühlten sie auf lediglich 30 Millikelvin, also nur einen winzigen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt.

Bei solchen extrem niedrigen Temperaturen sind

Bei solchen extrem niedrigen Temperaturen sind die thermischen Prozesse, die Magnonen normalerweise zerstören, effektiv eingefroren. Das Team zeigte zudem, dass die verbleibende Grenze für die Lebensdauer fundamentales physikalisches Gesetz bestimmt wird, sondern üssen im Kristall abhängt.

Die Forscher testeten drei Kugeln mit unterschiedlichen Reinheitsgraden und stellten ein klares Muster fest: Reineres Material ermöglichte es den Magnonen, länger zu überdauern. Selbst die am wenigsten reine Probe übertraf alle bisherigen Rekorde. Das bedeutet, dass zukünftige Verbesserungen vor allem ängen könnten, weniger Gesetze.

Was dies für die Quantentechnologie bedeutet: Eine Lebensdauer von 18 Mikrosekunden könnte Magnonen Quantenspeicher und effiziente Kommunikationskanäle auf einem Chip verwandeln. Sie könnten Hunderte über einen gemeinsamen Pfad verbinden und so als lang erwarteter Quantenbus für skalierbare Quantencomputer dienen.

Technik und Auswirkungen

Da Magnonen in Festkörpern existieren und mit vielen verschiedenen Quantensystemen wechselwirken können, könnten sie zudem als universelle Übersetzer in hybriden Quantenarchitekturen fungieren und Technologien verbinden, die sich sonst nicht leicht miteinander kommunizieren lassen. Referenz: „Ultralong-living magnons in the quantum limit", Kaitlin H.

McAllister, Fabian Majcen, Sebastian Knauer, Timmy Reimann, Carsten Dubs, Gennadii A. Melkov, Alexander A. Serga, Vasyl S. Tyberkevych, Andrii V. Chumak und Dmytro A. Bozhko, 1. Mai 2026, Science Advances.

DOI: 10.1126/sciadv.aee2344 Dieses Material basiert auf Arbeiten, die durch die National Science Foundation unter der Förderkennzeichen DMR-2338060 (D.A.B.) unterstützt wurden. Diese Forschung wurde ganz oder teilweise durch das Österreichische Wissenschaftsfonds (FWF) Projekt Nr.

10.55776/I6568 (A.V.C.) und Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft) – TRR 173 – 268565370 Spin+X (Projekte B01 und B04) (A.A.S.).