Des magnons aux durées record pourraient miniaturiser les ordinateurs quantiques

Des chercheurs de l'Université de Vienne ont identifié des magnons capables de persister jusqu'à cent fois plus longtemps que précédemment observé.

Les magnons sont des ondes de magnétisation se propageant à l’intérieur de matériaux magnétiques solides, à l’image des ondulations qui se forment à la surface de l’eau lorsqu’un caillou y tombe. Contrairement aux photons, qui peuvent circuler dans le vide ou à travers des fibres optiques, les magnons se déplacent exclusivement dans des solides magnétiques.

Leur longueur d’onde peut atteindre l’échelle nanométrique, ce qui suggère que des circuits magnoniques pourraient, en théorie, être intégrés sur des puces aussi compactes que celles utilisées dans les smartphones actuels. En tant qu’excitations internes aux solides, les magnons interagissent naturellement avec de nombreuses autres quasiparticules fondamentales, telles que les phonons et les photons, ce qui en fait des candidats prometteurs pour des systèmes quantiques hybrides ainsi que pour la métrologie quantique.

Le principal obstacle jusqu’ici résidait dans la brièveté extrême de leur durée de vie. Les magnons ne pouvaient transmettre une information quantique que pendant quelques centaines de nanosecondes au maximum, une période trop courte pour des applications en informatique quantique.

L’équipe dirigée par Wiener annonce désormais une avancée majeure, ayant mesuré des durées de vie de magnons allant jusqu’à 18 microsecondes, soit près de cent fois plus longtemps que les observations antérieures. Cette performance ouvre la perspective d’un ordinateur quantique de la taille d’une pièce de un centime. À cette échelle, les magnons cessent d’être de simples signaux éphémères pour devenir des vecteurs fiables d’information quantique, comparables aux qubits supraconducteurs employés dans les processeurs quantiques les plus avancés. Ces résultats ont été publiés récemment dans la revue Science Advances.

Des cristaux refroidis pour repousser les limites

Cette progression repose sur la combinaison de deux approches. Premièrement, au lieu d’utiliser des magnons uniformes classiques, les chercheurs ont généré des magnons à courte longueur d’onde, moins sensibles aux défauts présents à la surface des cristaux, qui limitaient auparavant leur durée de vie.

Deuxièmement, ils ont placé des sphères d’yttrium fer garnet (YIG) d’une pureté extrême dans un cryostat à phases mixtes, qu’ils ont refroidi jusqu’à 30 millikelvins, soit une température très proche du zéro absolu. À ces températures très basses, les processus thermiques qui détruisent habituellement les magnons sont quasiment éliminés.

Les chercheurs ont également démontré que la limite restante sur la durée de vie des magnons n’est pas imposée par une loi fondamentale de la physique, mais par la présence de traces infimes d’impuretés dans le cristal. En testant trois sphères avec différents niveaux de pureté, ils ont observé un lien clair : plus le matériau est pur, plus les magnons durent longtemps. Même l’échantillon le moins pur a surpassé tous les records précédents. Cela indique que les progrès futurs dépendront principalement de l’amélioration de la science des matériaux plutôt que de découvertes en physique fondamentale.

Implications pour la technologie quantique

Une durée de vie de 18 microsecondes pourrait transformer les magnons de simples relais faibles en mémoires quantiques robustes et en canaux de communication efficaces sur puce. Ils pourraient relier des centaines de qubits via une voie commune, jouant ainsi le rôle de bus quantique tant attendu pour des ordinateurs quantiques évolutifs.

De plus, étant donné que les magnons existent dans un matériau solide et interagissent avec divers systèmes quantiques, ils pourraient servir de traducteurs universels dans des architectures quantiques hybrides, facilitant la communication entre technologies incompatibles.

Référence : « Ultralong-living magnons in the quantum limit » par Rostyslav O. Serha, Kaitlin H. McAllister, Fabian Majcen, Sebastian Knauer, Timmy Reimann, Carsten Dubs, Gennadii A. Melkov, Alexander A. Serga, Vasyl S. Tyberkevych, Andrii V. Chumak et Dmytro A. Bozhko, 1er mai 2026, Science Advances. DOI : 10.1126/sciadv.aee2344

Ce travail a bénéficié du soutien de la National Science Foundation sous la subvention n° DMR-2338060 (D.A.B.). La recherche a été financée en totalité ou en partie par le Fonds autrichien pour la science (FWF), projet n° 10.55776/I6568 (A.V.C.), ainsi que par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fondation allemande pour la recherche) — TRR 173 — 268565370 Spin+X (projets B01 et B04) (A.A.S.).