Quantencomputer so klein wie eine Münze rückt näher

Quantencomputer versprechen Rechenleistungen, die heutige Supercomputer in den Schatten stellen. Doch eines der größten Hindernisse auf dem Weg zu praktischen Geräten ist ihre Größe: Viele Quantenprozessoren benötigen aufwendige Kühlung und sind oft raumfüllend. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Wien hat nun einen Durchbruch erzielt, der Quantencomputer so klein wie eine 1-Cent-Münze möglich machen könnte.

Die Lösung liegt in sogenannten Magnonen – winzigen magnetischen Wellen, die durch magnetische Festkörper wandern. Man kann sie sich wie die Wellen vorstellen, die ein ins Wasser geworfener Stein erzeugt, nur dass sie sich in einem magnetischen Material ausbreiten. Anders als Lichtteilchen (Photonen), die durch leeren Raum oder Glasfasern reisen, bleiben Magnonen im Inneren des Materials gefangen. Ihre Wellenlänge kann auf wenige Nanometer schrumpfen – das ist tausendmal kleiner als ein menschliches Haar. Dadurch könnten Schaltkreise auf Basis von Magnonen auf Chips passen, die nicht größer sind als die in heutigen Smartphones.

Das größte Problem war bisher ihre extrem kurze Lebensdauer: Magnonen zerfielen nach wenigen hundert Nanosekunden – zu schnell, um Quanteninformationen zuverlässig zu speichern oder zu übertragen. Das Team um Andrii Chumak von der Universität Wien hat dieses Problem nun gelöst. Sie verlängerten die Lebensdauer auf bis zu 18 Mikrosekunden – fast 100 Mal länger als zuvor. Damit sind Magnonen nun vergleichbar mit den supraleitenden Qubits, die in heutigen Spitzen-Quantenprozessoren verwendet werden.

Der Durchbruch gelang durch die Kombination zweier Methoden. Statt herkömmlicher gleichförmiger Magnonen erzeugten die Forscher kurzwelligen Magnonen, die weniger anfällig für winzige Defekte auf der Kristalloberfläche sind. Zudem kühlten sie extrem reine Kugeln aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) auf nur 30 Millikelvin ab – das ist ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Bei dieser Temperatur sind die thermischen Prozesse, die Magnonen normalerweise zerstören, praktisch eingefroren.

Die vielleicht überraschendste Erkenntnis: Die Lebensdauer wird nicht durch unveränderliche Naturgesetze begrenzt, sondern durch die Reinheit des Materials. Das Team testete drei YIG-Kugeln mit unterschiedlicher Reinheit und stellte fest: Je reiner der Kristall, desto länger überlebten die Magnonen. Selbst die unreinste Probe übertraf alle bisherigen Experimente. Das bedeutet, dass zukünftige Verbesserungen vor allem durch bessere Materialherstellung erreicht werden können – und nicht durch grundlegend neue physikalische Entdeckungen.

Mit Lebensdauern von 18 Mikrosekunden könnten Magnonen als zuverlässige Quantenspeicher und als verlustarme Kommunikationskanäle dienen, die Quanteninformationen über einen Chip transportieren. Die Forscher sehen eine mögliche Anwendung als „Quantenbus“: eine gemeinsame Verbindung, die Hunderte von Qubits miteinander verknüpft und so die Skalierung von Quantencomputern ermöglicht. Da Magnonen von Natur aus mit vielen verschiedenen Quantensystemen interagieren, könnten sie als universelle Übersetzer fungieren, die Technologien verbinden, die normalerweise nicht miteinander kommunizieren können.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht und basiert auf Experimenten, die Rostyslav Serha im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. Beteiligt waren Forscher der Universität Wien, der University of Colorado in Colorado Springs sowie Einrichtungen in Deutschland, den USA und der Ukraine.