مگنون های بادوام، گامی به سوی تراشه کوانتومی کوچک

پردازنده‌ای کوانتومی را تصور کنید که آن‌قدر کوچک باشد که روی یک سکه جا بگیرد. شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد. اما گروهی به سرپرستی آندری چوماک در دانشگاه وین، این تصویر را یک قدم به واقعیت نزدیک‌تر کرده‌اند؛ آن‌ها عمر مگنون‌ها، یعنی موجک‌های مغناطیسی بسیار کوچکی که می‌توانند اطلاعات کوانتومی را جابه‌جا کنند، از چند نانوثانیه زودگذر به محدوده میکروثانیه رسانده‌اند.

مگنون‌ها ذراتی نیستند که بتوان آن‌ها را در دست گرفت؛ آن‌ها برانگیختگی‌های جمعی‌اند، موج‌هایی از مغناطش که درون یک جامد حرکت می‌کنند. تصور کنید سنگ‌ریزه‌ای را در برکه‌ای می‌اندازید و گسترش موج‌های دایره‌ای را تماشا می‌کنید. با این تفاوت که این موج‌ها درون بلورها زندگی می‌کنند، می‌توانند تا طول‌موج‌های نانومتری کوچک شوند و به‌طور طبیعی با فوتون‌ها، فونون‌ها و دیگر بازیگران دنیای کوانتوم برهم‌کنش داشته باشند. همین ترکیب، آن‌ها را برای ساخت دستگاه‌های کوانتومی روی تراشه که باید اجزای گوناگون را بدون رابط‌های حجیم به هم متصل کنند، به گزینه‌ای بسیار امیدوارکننده تبدیل کرده است.

سال‌ها مشکل اصلی، شکنندگی آن‌ها بود. آزمایش‌های پیشین نشان داده بودند که مگنون‌ها تنها طی چند صد نانوثانیه محو می‌شوند؛ زمانی بسیار کوتاه برای آنکه بتوانند به‌عنوان حافظه کوانتومی قابل اعتماد یا کانال ارتباطی پایدار به کار بروند. گروه تحت هدایت وین این سقف را شکست. آن‌ها با تولید مگنون‌های کوتاه‌طول‌موج در کره‌های فوق‌خالص گارنت آهن ایتریم، یا وای‌آی‌جی، و سرد کردن آن‌ها تا دمای بسیار پایین ۳۰ میلی‌کلوین، طول‌عمری تا ۱۸ میکروثانیه ثبت کردند؛ نزدیک به ۱۰۰ برابر بیشتر از رکوردهای قبلی. در این مقیاس، مگنون‌ها دیگر سیگنال‌هایی گذرا نیستند و مانند عناصر قابل استفاده در سخت‌افزار کوانتومی رفتار می‌کنند.

راز کار دو بخش داشت. مگنون‌های کوتاه‌طول‌موج نسبت به نقص‌های سطحی، در مقایسه با مدهای یکنواخت و بلندطول‌موج، حساسیت کمتری دارند. کیفیت ماده نیز نقش بسیار بزرگی ایفا می‌کند: این گروه سه کره وای‌آی‌جی با سطوح متفاوت ناخالصی را آزمایش کرد و الگویی روشن یافت؛ هرچه بلور پاک‌تر بود، مگنون‌ها مدت بیشتری دوام می‌آوردند. حتی کم‌خلوص‌ترین نمونه آن‌ها نیز از تمام اندازه‌گیری‌های قبلی عملکرد بهتری داشت. این نکته مهم است، زیرا گلوگاه را از مرزهای بنیادی فیزیک به سمت مهندسی جابه‌جا می‌کند: ساخت بهتر و مواد خالص‌تر می‌توانند به مگنون‌هایی با عمر حتی طولانی‌تر منجر شوند.

آن‌ها نمونه‌ها را در یک کرایواستات فازمخلوط سرد کردند و فرایندهای گرمایی را که معمولا عمر مگنون را کاهش می‌دهند، عملا منجمد ساختند. در ۳۰ میلی‌کلوین، نویز حرارتی تقریبا دیگر عامل تعیین‌کننده‌ای نیست. وقتی این شرایط با طول‌موج‌های کوتاه و وای‌آی‌جی بسیار خالص همراه شود، طول‌عمرهایی که زمانی دست‌نیافتنی به نظر می‌رسیدند، به نتیجه‌ای تکرارپذیر تبدیل می‌شوند. این پژوهش در مجله ساینس ادونسز منتشر شده و همان‌قدر که یک دستاورد فیزیکی است، مانند نقشه راهی برای علم مواد نیز خوانده می‌شود.

چرا این موضوع برای فناوری کوانتومی اهمیت دارد؟ زیرا مگنون‌های بادوام می‌توانند به‌عنوان گذرگاه‌های کوانتومی فشرده روی تراشه عمل کنند؛ کانال‌هایی که حالت‌های کوانتومی را میان صدها کیوبیت جابه‌جا می‌کنند، بی‌آنکه به سیم‌کشی سنگین یا پیوندهای فوتونیکی حجیم نیاز باشد. توانایی آن‌ها در جفت‌شدن با چندین سکوی کوانتومی به این معناست که مگنون‌ها می‌توانند نقش مترجم را ایفا کنند: اتصال کیوبیت‌های ابررسانای مایکروویوی به فوتون‌های نوری، یا پل‌زدن میان تشدیدگرهای مکانیکی و سامانه‌های اسپینی. در معماری‌های هیبریدی، چنین انعطافی بسیار ارزشمند است.

دستگاه‌های عملی هنوز فاصله‌ای قابل توجه با ما دارند. سرد کردن تا ۳۰ میلی‌کلوین کار ساده و روزمره آزمایشگاهی نیست و ساخت وای‌آی‌جی فوق‌خالص در مقیاس بزرگ همچنان چالش‌برانگیز است. با این حال، پیامد این یافته دلگرم‌کننده و روشن است: مواد را بهتر کنید، مگنون‌ها نیز بهتر می‌شوند. این گلوگاه با کشف یک حد فیزیکی تازه تفاوت دارد؛ گلوگاهی است که مهندسان و شیمی‌دانان می‌توانند برای رفع آن اقدام کنند.

اینجا جمله‌ها کوتاه‌اند. آنجا جمله‌ها بلندتر می‌شوند. خلاصه ماجرا این است: مگنون‌ها از کنجکاوی‌هایی زودگذر به مدعیانی جدی برای زیرساخت کوانتومی حالت‌جامد تبدیل شده‌اند. تراشه کوانتومی هم‌اندازه سکه شاید امروز خیال‌پردازانه به نظر برسد، اما با این موج‌های مغناطیسی بادوام‌تر، قطعات این پازل دارند سر جای خود قرار می‌گیرند.

چه کسی در گام بعدی مواد را به کمال نزدیک‌تر می‌کند و صنعت با چه سرعتی می‌تواند فناوری‌های سرمایش عمیق و ساخت را مقیاس‌پذیر کند؟ پاسخ این پرسش‌ها تعیین خواهد کرد که آیا مگنون‌ها به نیروی کاری خاموش درون ماشین‌های کوانتومی فشرده فردا تبدیل می‌شوند یا نه.