Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Đại học Vienna (Áo) dẫn đầu vừa kéo dài tuổi thọ của magnon - các sóng từ hóa ở quy mô vi mô - lên tới 18 micro giây, gấp gần 100 lần so với các kết quả trước đây. Thành tựu này, được công bố trên tạp chí Science Advances, mở ra triển vọng phát triển các bộ xử lý lượng tử nhỏ gọn hơn trong tương lai.

Nhóm nghiên cứu

Magnon là những dao động tập thể của từ hóa trong vật liệu từ tính, có thể hình dung như những gợn sóng lan truyền trên mặt nước sau khi một hòn đá được ném xuống. Không giống photon truyền trong không gian tự do hoặc sợi quang, magnon lan truyền bên trong các vật liệu từ tính. Bước sóng của chúng có thể thu nhỏ xuống thang nanomet, cho phép các mạch magnonic về nguyên tắc được tích hợp trên những con chip có kích thước tương đương chip điện tử hiện nay. Bên cạnh đó, magnon còn có khả năng tương tác với nhiều giả hạt khác như phonon và photon, khiến chúng trở thành một nền tảng đầy tiềm năng cho các hệ lượng tử lai và các thiết bị đo lường lượng tử.

Cho đến nay, trở ngại lớn nhất của magnon là thời gian tồn tại rất ngắn. Chúng chỉ có thể mang thông tin lượng tử trong vài trăm nano giây - quá ngắn để phục vụ các phép tính lượng tử phức tạp. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Andrii Chumak tại Đại học Vienna dẫn đầu đã đo được tuổi thọ magnon lên tới 18 micro giây, dài hơn gần 100 lần so với các giá trị từng được báo cáo trước đây. Với thời gian tồn tại được kéo dài đáng kể, magnon có khả năng lưu giữ và truyền tải thông tin lượng tử ổn định hơn, tiến gần tới các yêu cầu của những nền tảng tính toán lượng tử hiện đại. Giải pháp mang lại thành công cho nhóm nghiên cứu là sự kết hợp giữa hai yếu tố. Thứ nhất, thay vì sử dụng các magnon đồng nhất thông thường, nhóm nghiên cứu kích thích các magnon có bước sóng ngắn, vốn ít bị ảnh hưởng bởi các khuyết tật trên bề mặt tinh thể - nguyên nhân chính làm suy giảm tuổi thọ magnon trước đây. Thứ hai, toàn bộ thí nghiệm được thực hiện trên các quả cầu garnet sắt yttrium (YIG) có độ tinh khiết rất cao và được làm lạnh xuống nhiệt độ 30 milli-kelvin.

Một phát hiện đáng chú ý của nghiên cứu là tuổi thọ của magnon hiện chưa bị giới hạn bởi một định luật vật lý cơ bản mà chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng vật liệu. Điều này cho thấy những cải thiện trong tương lai có thể đến từ các tiến bộ trong công nghệ chế tạo vật liệu, thay vì phải tìm kiếm những cơ chế vật lý hoàn toàn mới.

Theo nhóm nghiên cứu, magnon có thể đóng vai trò như một "đường truyền thông tin lượng tử", giúp kết nối nhiều qubit trên cùng một con chip và hỗ trợ trao đổi thông tin lượng tử giữa các thành phần của hệ thống. Tuy nhiên, Giáo sư Chumak cũng lưu ý rằng magnonic lượng tử vẫn là một lĩnh vực còn khá mới so với các nền tảng lượng tử khác. Vì vậy, sẽ cần thêm thời gian để đánh giá khả năng ứng dụng của công nghệ này trong các hệ thống tính toán lượng tử quy mô lớn, dù kết quả nghiên cứu đã góp phần mở rộng đáng kể triển vọng phát triển của lĩnh vực.

NPA (Theo University of Vienna)