Une équipe de physiciens a franchi un obstacle majeur dans le domaine de l’informatique quantique en augmentant considérablement la durée de vie des magnons, de minuscules ondes magnétiques capables de transporter des informations quantiques. Les chercheurs ont prolongé leur durée de vie de quelques centaines de nanosecondes à 18 microsecondes, soit presque 100 fois plus longtemps que ce qui avait été réalisé auparavant. Cette avancée pourrait éventuellement permettre la création d’ordinateurs quantiques ultra-compacts, potentiellement aussi petits qu’une pièce de 1 cent.
L’équipe de recherche internationale, dirigée par Andrii Chumak de l’Université de Vienne, a également découvert que la durée de vie des magnons n’est pas limitée par les lois de la physique, mais par la qualité du matériau à travers lequel ils se déplacent. Leurs résultats ont été publiés dans Science Advances.
Qu’est-ce que les Magnons ?
Les magnons sont de petites ondes de magnétisation qui se déplacent à travers des solides magnétiques. Ils peuvent être comparés à des ondulations se propageant à la surface d’un étang après qu’une pierre y ait été lancée. Contrairement aux photons, qui se déplacent dans l’espace vide ou à travers des fibres optiques, les magnons restent à l’intérieur des matériaux magnétiques.
Étant donné que leurs longueurs d’onde peuvent se réduire à quelques nanomètres, les circuits basés sur les magnons pourraient potentiellement tenir sur des puces de la taille de celles que l’on trouve déjà dans les smartphones. De plus, les magnons interagissent naturellement avec d’autres quasiparticules fondamentales, telles que les phonons et les photons, ce qui en fait des éléments de base attrayants pour les systèmes quantiques hybrides et la métrologie quantique.
Résolution du Problème de la Durée de Vie des Magnons
Pendant des années, l’un des plus grands défis pour la technologie des magnons a été leur durée de vie extrêmement courte. En ne survivant que quelques centaines de nanosecondes, ils disparaissaient trop rapidement pour stocker ou transférer des informations quantiques de manière fiable.
La nouvelle étude change cette donne. En augmentant la durée de vie des magnons jusqu’à 18 microsecondes, les chercheurs ont transformé ces signaux éphémères en porteurs durables d’informations quantiques. Leur performance approche désormais les échelles de temps nécessaires pour des technologies quantiques pratiques, rendant les magnons comparables aux qubits supraconducteurs utilisés dans les processeurs quantiques actuels.
Comment les Chercheurs Ont Réalisé cette Avancée
Cette avancée résulte de la combinaison de deux techniques importantes.
Tout d’abord, au lieu d’utiliser des magnons uniformes conventionnels, l’équipe a généré des magnons à courte longueur d’onde, qui sont naturellement moins sensibles aux petits défauts de surface du cristal, lesquels avaient réduit la durée de vie des magnons dans les expériences précédentes.
Ensuite, les chercheurs ont refroidi des sphères ultra-pures de grenat de fer yttrium (YIG) à seulement 30 millikelvins à l’intérieur d’un cryostat à phases mixtes. À des températures à peine au-dessus du zéro absolu, les processus thermiques qui détruisent normalement les magnons sont efficacement gelés.
Les Matériaux, Pas la Physique, Fixent la Limite
Une des découvertes les plus surprenantes a été d’identifier ce qui limite actuellement la durée de vie des magnons.
En testant trois sphères de YIG avec différents niveaux de pureté, les chercheurs ont constaté un schéma clair : plus le cristal est pur, plus les magnons survivent longtemps. Même l’échantillon le moins pur a surpassé toutes les expériences précédentes.
Les résultats suggèrent que les améliorations futures dépendront principalement des avancées en science des matériaux plutôt que de surmonter une loi de la nature inévitable. À me que les chercheurs développeront des matériaux magnétiques encore plus purs, la durée de vie des magnons pourrait continuer à s’améliorer.
Pourquoi Cela Compte pour l’Informatique Quantique
Avec des durées de vie atteignant 18 microsecondes, les magnons deviennent bien plus que des signaux temporaires. Ils pourraient servir de dispositifs de mémoire quantique fiables et de canaux de communication à faible perte pour transférer des informations quantiques à travers une puce.
Les chercheurs estiment que les magnons pourraient éventuellement connecter des centaines de qubits via un chemin partagé, créant un « bus quantique » tant recherché qui aiderait à l’échelle des ordinateurs quantiques futurs. Étant donné que les magnons interagissent naturellement avec de nombreux systèmes quantiques différents, ils pourraient également agir comme des traducteurs universels, permettant à des technologies qui ne peuvent normalement pas communiquer entre elles de travailler ensemble.
L’étude est basée sur des expériences réalisées par Rostyslav Serha durant sa recherche doctorale. Le projet a été dirigé par l’Université de Vienne en collaboration avec l’Université du Colorado, Colorado Springs, et des institutions de recherche en Allemagne, aux États-Unis et en Ukraine. La co-autrice Kaitlin McAllister a participé par le biais de l’École doctorale de Vienne en physique, qui propose des stages pour des étudiants de master exceptionnels du monde entier.
