DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aee2344
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42066075
تاريخ النشر: 2026-05-01
المؤلف: Rostyslav O. Serha وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
تقدم البحث تقدمًا كبيرًا في مجال تقنيات المعلومات الكمومية في الحالة الصلبة باستخدام الكوانتوم بوزوني، وتحديدًا الماجنون. تقليديًا، كانت فترة التماسك للأنظمة الكمومية مقيدة بفترات حياة الكوانتوم بوزوني القصيرة، حيث كانت الماجنون تظهر فترات حياة محدودة تصل إلى بضع مئات من النانوثانية. ومع ذلك، يُبلغ هذا البحث عن اختراق، حيث يُظهر أن فترات حياة الماجنون تتجاوز 18 ميكروثانية في التجارب التي أجريت على كرات ياقوت الحديد اليتريوم أحادية البلورة عند درجة حرارة 30 مللي كلفن.
تشير هذه النتائج إلى أن أوقات الاسترخاء للماجنون ذات الطول الموجي القصير أطول تقريبًا بمقدار مرتين من القيم الموثقة سابقًا، مما يتحدى الفهم الراسخ لحدود تشتت الماجنون. وبالتالي، يضع هذا البحث الماجنون كمرشحين واعدين لحاملات المعلومات طويلة الأمد في هياكل الحوسبة الكمومية في الحالة الصلبة، مما قد يعزز قابلية التوسع والأداء لتقنيات الكم على الرقاقة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الدور الحاسم للتماسك الكمومي في معالجة المعلومات الكمومية، مع التأكيد على أهميته للعمليات الحسابية، وتخزين البيانات، والنقل داخل الأنظمة الكمومية. يتم تسليط الضوء على المنصات الصلبة كمرشحين واعدين لهذه التطبيقات بسبب قابلية التوسع النانوية والقدرة على التكامل؛ ومع ذلك، تواجه تحديات مثل فترات التماسك القصيرة الناتجة عن التفاعلات البيئية وتدهور الكوانتوم بوزوني. من بين مختلف الكوانتوم بوزوني التي تم استكشافها، تظهر الماجنون كحاملات معلومات كمومية مميزة بسبب سلوكها الموجي، وقابلية ضبطها، وإمكانات التكامل في الأنظمة الكمومية الهجينة.
تبلغ الورقة عن تقدم كبير في فهم فترات حياة الماجنون، حيث تقدم ملاحظات للماجنون بفترات حياة تتراوح بين 5 ميكروثانية إلى 18 ميكروثانية، اعتمادًا على نقاء ياقوت الحديد اليتريوم (YIG) المستخدم. هذه النتيجة حاسمة لأنها تعالج عنق الزجاجة لفترات الحياة القصيرة التي أعاقت قابلية التوسع لتقنيات الكم القائمة على الماجنون. تم تحفيز الماجنون عند ترددات جيجاهيرتز، وتم قياس فترات حياتها من خلال عتبة التحويل غير الخطي في دوران المغنطة. من الجدير بالذكر أن النتائج تشير إلى أنه بينما لا تزيد فترات حياة الماجنون بلا حدود، يمكن تحسينها عند درجات حرارة منخفضة، مما يشير إلى إمكانية تحقيق فترات حياة أطول مع مواد ذات نقاء أعلى.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتفصل في المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، لضمان قابلية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. تعتبر الوضوح والدقة في هذا القسم حاسمة لتمكين الباحثين الآخرين من تكرار الدراسة والتحقق من استنتاجاتها. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لمعالجة أسئلة البحث بفعالية مع الالتزام بالمعايير الأخلاقية.
نتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة عن تحليل شامل لوضعيات الماجنون في العينات المغناطيسية، مع التركيز بشكل خاص على الماجنون ذات التبادل الثنائي (DEMs) بسبب فترات التماسك الممتدة، والتي تعتبر أساسية لتقنيات الكم. استخدم البحث تقنيات الرنين المغناطيسي الفيرومغناطيسي (FMR) لوصف العينات وقام بقياس فترة حياة DEM مباشرة من خلال التحلل الثلاثي للماجنون. أظهرت عينات ياقوت الحديد اليتريوم (YIG)، التي تم اختيارها لنسبة السطح إلى الحجم الأدنى، فترات حياة ماجنون متغيرة بناءً على مستويات النقاء، حيث أظهرت العينات فائقة النقاء فترات حياة أطول بكثير مقارنة بتلك ذات النقاء المنخفض.
تشير النتائج إلى أن عرض خطوط وضعية كيتل، الذي يتناسب عكسيًا مع فترات حياة الماجنون، كان متسقًا مع التقارير السابقة، حيث أظهر ذروة بارزة حول 50 ك بسبب الشوائب من أيونات الأرض النادرة. من الجدير بالذكر أن فترات حياة الماجنون زادت بشكل كبير عند درجات حرارة المللي كلفن، حيث وصلت الكرة 1 إلى 4.5 ميكروثانية، وحققت الكرة 2 11 ميكروثانية، وعرضت الكرة 3 18 ميكروثانية مثيرة للإعجاب. تؤكد هذه النتائج تأثير نقاء العينة على ديناميات الماجنون وتبرز الإمكانية لاستخدام DEMs في التطبيقات المتقدمة، حيث تتجاوز قياسات الحياة القيم المبلغ عنها سابقًا، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة.
مناقشة
في هذه المناقشة، يُبلغ المؤلفون عن فترات حياة غير مسبوقة للماجنون تصل إلى 18 ميكروثانية، متجاوزة بشكل كبير السجلات السابقة بحوالي مرتين. يُعزى هذا التحسين إلى تحفيز الماجنون ذات التبادل الثنائي القصير الموجة، والتي تتأثر بشكل أقل بالعيوب السطحية وبالتالي تتجنب تشتت الماجنون الثنائي الذي يحد عادةً من التخميد للماجنون ذات الطول الموجي الطويل. بالإضافة إلى ذلك، يتم قمع آليات التخميد الداخلية، والتي تتضمن بشكل أساسي تشتت الماجنون-الفونون والماجنون-ماجنون، في نظام المللي كلفن، مما يؤدي إلى انخفاض أحادي في التخميد مع زيادة درجة الحرارة. تحت حوالي 100 مللي كلفن، يكون التدهور المتبقي ناتجًا بشكل أساسي عن مراكز بارامغناطيسية نادرة في الشبكة البلورية، والتي تهيمن على مشهد الاسترخاء على الرغم من تركيزها المنخفض.
تشير النتائج إلى أن تماسك الماجنون ذات الطول الموجي القصير ليس مقيدًا بشكل أساسي بنفس الآليات التي تحد من فترة حياة الأوضاع الموحدة؛ بل يتأثر بهرمية من العمليات التي تتغير أهميتها مع انخفاض درجة الحرارة. تضع فترة الحياة المبلغ عنها 18 ميكروثانية الماجنون ذات التبادل الثنائي في نفس مستوى الكيوبتات الفائقة التوصيل التقليدية، مما يشير إلى إمكاناتها كحاملات معلومات كمومية قوية في الهياكل الكمومية الهجينة. يفتح هذا التقدم آفاقًا جديدة لتقنيات الكم العملية، حيث يمكن أن تعمل هذه الماجنون كروابط موجية منخفضة الفقد وتسهيل التفاعلات غير المحلية عبر مسافات صغيرة على الرقاقة، مما يسهم بشكل كبير في تطوير الحوسبة الكمومية القابلة للتوسع.
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aee2344
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42066075
Publication Date: 2026-05-01
Author(s): Rostyslav O. Serha et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
The research presents significant advancements in the field of solid-state quantum information technologies utilizing bosonic quasiparticles, specifically magnons. Traditionally, the coherence time of quantum systems has been constrained by the short lifetimes of quasiparticles, with magnons exhibiting lifetimes limited to a few hundred nanoseconds. However, this study reports a breakthrough, demonstrating magnon lifetimes exceeding 18 microseconds in experiments conducted on single-crystal yttrium iron garnet spheres at a temperature of 30 mK.
These results indicate that the relaxation times of short-wavelength magnons are nearly two orders of magnitude longer than previously documented, challenging the established understanding of magnon dissipation limits. Consequently, this research positions magnons as promising candidates for long-lived information carriers in solid-state quantum computing architectures, potentially enhancing the scalability and performance of on-chip quantum technologies.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the critical role of quantum coherence in quantum information processing, emphasizing its importance for computational operations, data storage, and transmission within quantum systems. Solid-state platforms are highlighted as promising candidates for these applications due to their nanometer scalability and integrability; however, they face challenges such as short coherence times resulting from environmental interactions and quasiparticle decay. Among various bosonic quasiparticles explored, magnons emerge as particularly advantageous carriers of quantum information due to their wave-like behavior, tunability, and integration potential in hybrid quantum systems.
The paper reports a significant advancement in the understanding of magnon lifetimes, presenting observations of magnons with lifetimes ranging from 5 µs to 18 µs, contingent on the purity of the single-crystal yttrium iron garnet (YIG) used. This finding is crucial as it addresses the bottleneck of short lifetimes that has hindered the scalability of magnon-based quantum technologies. The magnons were excited at gigahertz frequencies, and their lifetimes were measured through the threshold of nonlinear downward conversion in magnetization precession. Notably, the results indicate that while magnon lifetimes do not increase indefinitely, they can be optimized at low temperatures, suggesting potential for even longer lifetimes with higher purity materials.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols for data collection, including any statistical analyses applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. The clarity and rigor in this section are crucial for enabling other researchers to replicate the study and verify its conclusions. Overall, the methods employed are designed to address the research questions effectively while adhering to ethical standards.
Results
The results of this study reveal a comprehensive analysis of magnon modes in magnetic samples, particularly focusing on dipole-exchange magnons (DEMs) due to their extended coherence times, which are essential for quantum technologies. The research utilized Ferromagnetic Resonance (FMR) techniques to characterize the samples and directly measured the DEM lifetime through parametric three-magnon decay. The Yttrium Iron Garnet (YIG) samples, chosen for their minimal surface-to-volume ratio, exhibited varying magnon lifetimes based on purity levels, with ultra-pure samples demonstrating significantly longer lifetimes compared to those of lower purity.
The findings indicate that the linewidths of the Kittel mode, which are inversely proportional to magnon lifetimes, were consistent with previous reports, showing a pronounced peak around 50 K due to rare-earth ion impurities. Notably, the magnon lifetimes increased dramatically at millikelvin temperatures, with Sphere 1 reaching 4.5 µs, Sphere 2 achieving 11 µs, and Sphere 3 exhibiting an impressive 18 µs. These results underscore the influence of sample purity on magnon dynamics and highlight the potential for utilizing DEMs in advanced applications, as the lifetime measurements surpass previously reported values, particularly at low temperatures.
Discussion
In this discussion, the authors report unprecedented magnon lifetimes of up to 18 μs, significantly surpassing previous records by approximately two orders of magnitude. This enhancement is attributed to the excitation of short-wavelength dipole-exchange magnons, which are less affected by surface defects and thus avoid the two-magnon scattering that typically limits the damping of long-wavelength magnons. Additionally, intrinsic damping mechanisms, primarily magnon-phonon and magnon-magnon scattering, are suppressed in the millikelvin regime, leading to a monotonic decrease in damping with temperature. Below approximately 100 mK, the remaining decay is primarily due to rare paramagnetic centers in the crystal lattice, which dominate the relaxation landscape despite their low concentration.
The findings suggest that the coherence of short-wavelength magnons is not fundamentally limited by the same mechanisms that restrict the lifetime of uniform modes; rather, it is influenced by a hierarchy of processes that shift in importance as temperature decreases. The reported lifetime of 18 μs positions dipole-exchange magnons on par with typical transmon superconducting qubits, indicating their potential as robust quantum information carriers in hybrid quantum architectures. This advancement opens new avenues for practical quantum technologies, where these magnons can serve as low-loss waveguide links and facilitate non-local interactions across chip-scale distances, thereby contributing significantly to the development of scalable quantum computing.