一组物理学家通过显著延长激子的寿命，克服了量子计算中的一个主要障碍。激子是能够携带量子信息的微小磁波。研究人员将它们的寿命从几百纳秒延长到长达18微秒，几乎是以往记录的100倍。这一进展最终可能帮助制造超紧凑的量子计算机，可能小到一分钱的大小。该国际研究团队由维也纳大学的安德里·朱马克（Andrii Chumak）领导，他们还发现了一个重要的见解。他们发现激子的寿命并非受到物理法则的限制，而是受到它们穿越材料质量的影响。研究结果发表在《科学进展》上。激子是什么？激子是通过磁性固体传播的微小磁化波。它们可以与水面上石头落入池塘后的涟漪相比较。与通过真空或光纤传播的光子不同，激子始终保留在磁性材料中。由于它们的波长可以缩小到仅几纳米，基于激子的电路有可能适应于与目前在智能手机中发现的芯片一样大的芯片。激子还自然地与其他基本的准粒子（包括声子和光子）相互作用，使它们成为混合量子系统和量子计量的有吸引力的构件。解决激子寿命问题 多年来，激子技术面临的一个最大挑战是它们极短的寿命。由于它们只能存活几百纳秒，它们消失得太快，无法可靠地存储或传输量子信息。这项新研究改变了这一局面。将激子的寿命延长至多18微秒，研究人员将这些曾经短暂的信号转变为持久的量子信息载体。它们的性能现在接近实用量子技术所需的时间尺度，使激子可与今天领先的量子处理器中使用的超导量子比特相媲美。研究人员是如何实现这一突破的 这项突破是通过结合两种重要技术实现的。首先，团队没有使用传统的均匀激子，而是产生了短波长激子。这些激子对晶体表面的小缺陷自然更不敏感，而这些缺陷在以往实验中缩短了激子的寿命。其次，研究人员将超纯的钇铁矿（YIG）球体冷却至30毫开尔文，置于混合相低温器中。在距离绝对零度仅一小步的温度下，通常会摧毁激子的热过程被有效地冻结。材料，而非物理，设定了极限 也许最令人惊讶的发现是识别出现在限制激子寿命的因素。通过测试三个不同纯度水平的YIG球体，研究人员发现了明确的模式：水晶越纯，激子存活的时间越长。即使是纯度最低的样本也优于以往的所有实验。结果表明，未来的改进主要依赖于材料科学的进展，而不是克服不可避免的自然法则。随着研究人员开发出更纯的磁性材料，激子的寿命可能会持续改善。 为什么这对量子计算很重要 随着寿命达到18微秒，激子不仅仅是短暂的信号。它们可以作为可靠的量子存储装置和低损耗的通信通道，将量子信息在芯片上传递。研究人员表示，激子最终能够通过共享路径连接数百个量子比特，创建一个长期追寻的“量子总线”，这将有助于扩展未来的量子计算机。由于激子自然与许多不同的量子系统相互作用，它们也可以作为通用翻译器，使通常无法相互通信的技术得以协同工作。这项研究基于Rostyslav Serha在其博士研究期间进行的实验。该项目由维也纳大学领导，并与科罗拉多州大学科罗拉多斯普林斯分校以及德国、美国和乌克兰的研究机构合作。合著者凯特林·麦卡利斯特通过维也纳物理研究博士学校参与，该学校为来自全球的优秀硕士生提供实习机会。