Une percée dans la recherche sur les magnons ouvre la voie à des mini-ordinateurs quantiques

Les magnons sont de minuscules ondes dans l’aimantation et des éléments de construction idéaux pour les systèmes quantiques hybrides et la métrologie quantique. Cependant, leur durée de vie auparavant trop courte, d’au plus quelques centaines de nanosecondes, constituait un obstacle. Une équipe internationale de physiciens dirigée par Andrii Chumak de l’Université de Vienne a désormais réussi à prolonger cette durée de vie d’un facteur cent, jusqu’à 18 microsecondes, ouvrant la voie à un ordinateur quantique de la taille d’une pièce de 1 centime. Les scientifiques ont également fait la découverte cruciale que ce n’est pas une loi fondamentale de la physique qui régit la durée de vie des magnons, mais plutôt une question de matériaux.

Les magnons sont de minuscules ondes dans l’aimantation qui se propagent à travers des matériaux magnétiques solides, un peu comme les ondulations qui se propagent sur un étang lorsqu’on y jette une pierre. Contrairement aux photons, qui voyagent dans l’espace vide ou dans les fibres optiques, les magnons se propagent à l’intérieur d’un solide magnétique. Leurs longueurs d’onde peuvent être réduites à l’échelle nanométrique, ce qui signifie que les circuits magnoniques pourraient, en principe, tenir sur une puce pas plus grande que celles que l’on trouve dans les smartphones actuels. De plus, en tant qu’excitation d’un solide, un magnon se couple naturellement à de nombreuses autres quasi-particules fondamentales – phonons, photons et autres – ce qui en fait un élément de construction idéal pour les systèmes quantiques hybrides et la métrologie quantique.

Jusqu’à présent, il y avait un obstacle majeur : les magnons avaient une durée de vie très courte. Cette durée de vie – la période pendant laquelle ils peuvent transporter de manière fiable des informations quantiques – était limitée à quelques centaines de nanosecondes au mieux. Bien trop courte pour tout calcul quantique pratique. L’équipe de Vienne a désormais réalisé une percée : les physiciens ont pu mesurer des durées de vie de magnons allant jusqu’à 18 microsecondes – près de cent fois plus longues que toute valeur observée à ce jour. Dans cet état, les magnons ne sont plus des signaux éphémères, mais deviennent des porteurs d’informations quantiques durables et fiables, comparables aux qubits supraconducteurs utilisés dans les meilleurs processeurs quantiques actuels.

La clé de cette percée a été la combinaison de deux idées. Premièrement, au lieu de magnons uniformes conventionnels, l’équipe a excité des magnons à courte longueur d’onde, qui sont intrinsèquement insensibles aux défauts de surface du cristal – précisément les défauts qui avaient limité les durées de vie dans toutes les expériences précédentes. Deuxièmement, les chercheurs ont refroidi des sphères ultra-pures de grenat d’yttrium et de fer (YIG) dans un cryostat à phases mixtes à seulement 30 millikelvins – une fraction de degré au-dessus du zéro absolu. À ce froid extrême, tous les processus thermiques qui détruisent normalement les magnons gèlent efficacement.

De manière cruciale, l’équipe a pu montrer que la limite restante de la durée de vie des magnons n’est pas déterminée par une loi fondamentale de la nature, mais par des impuretés infimes dans le cristal. Trois sphères de pureté variable ont été testées, et le résultat était clair : plus le matériau est pur, plus le magnon survit longtemps. Même l’échantillon le moins pur a dépassé tous les records précédents. Cela signifie que les progrès futurs sont une question de science des matériaux – non la découverte d’une nouvelle physique – et la voie est grande ouverte.

Ce que cela signifie pour la technologie quantique

Avec des durées de vie de 18 microsecondes, les magnons passent de liens intermédiaires avec pertes à des mémoires quantiques robustes et des liaisons de communication à faible perte sur une puce. Ils pourraient connecter des centaines de qubits le long d’un chemin partagé – un « bus quantique » tant attendu qui serait un élément de construction manquant pour les ordinateurs quantiques évolutifs. Parce que les magnons résident dans un état solide et se couplent à de nombreux systèmes quantiques différents, ils pourraient servir de traducteurs universels dans les architectures quantiques hybrides, reliant des technologies qui autrement seraient incapables de communiquer entre elles.

Résumé :

• Les magnons sont des éléments de construction idéaux pour les systèmes quantiques hybrides et la métrologie quantique.
• Le principal obstacle à ce jour était la courte durée de vie des magnons, auparavant limitée à quelques centaines de nanosecondes au plus.
• Des physiciens dirigés par l’Université de Vienne ont maintenant réussi à prolonger cette durée de vie d’un facteur cent, jusqu’à 18 microsecondes.
• Une découverte clé dans ce processus : aucune loi fondamentale de la physique ne régit la durée de vie des magnons ; il s’agit plutôt d’une question de science des matériaux.
• Cela ouvre la voie à un ordinateur quantique de la taille d’une pièce de 1 centime.

Article : Ultralong-living magnons in the quantum limit – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude

Source : Vienne U.