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量子計算迎來一美分革命！科學家成功延長「磁振子」壽命百倍，突破晶片微型化關鍵瓶頸

 

 

圖靈學院編輯部
2026-6-1

 

    在當前全球量子科技的軍備競賽中，科學家們正不斷尋找能夠更穩定、更高效儲存與傳輸量子資訊的完美載體。當前主流的量子電腦（如 IBM 或 Google 的超導量子電腦）體積異常龐大，往往需要占滿整個房間，其中很大的原因在於維持量子位元（Qubit）相干性所需的冷卻系統與週邊微波控制架構極其複雜。然而，一項發表於頂尖國際期刊《科學進展》（Science Advances）、由維也納大學（University of Vienna）物理學家安德里·丘馬克（Andrii Chumak）教授及羅斯蒂斯拉夫·塞爾哈（Rostyslav Serha）博士領導的國際研究團隊，成功為量子電腦的微型化開闢了一條顛覆性的新路徑。他們成功將固態系統中的一種準粒子——磁振子（Magnon）的壽命延長了近百倍，達到了前所未有的 18 微秒（Microseconds）。這項發現徹底打破了物理學界過去幾十年的傳統認知，意味著量子電腦未來的體積有可能縮小到僅有一枚「一美分硬幣（Penny）」的大小。

什麼是磁振子？為何它是量子系統的「夢幻積木」？

 

    在深入探討這項創新之前，我們需要先理解什麼是「磁振子」。簡單來說，磁振子是固態材料中集體磁化動力學的玻色子激發（Bosonic excitations），也就是磁性材料中電子自旋集體產生的微小磁性波動（自旋波，Spin Waves）。在量子資訊科學中，磁振子一直被視為一種極具潛力的資訊載體，原因在於它具備以下兩大核心優勢：

 

1. 極高的相容性與轉換能力： 磁振子存在於固體材料中，能夠自然地與許多其他基礎準粒子（如代表聲波的「聲子」phonon，以及代表光子的「光子」photon）產生交互作用。這使它在混合量子系統中，能夠充當「通用翻譯官」，連結不同類型的量子架構。

2. 無電荷流動的資訊傳輸： 磁振子傳遞的是磁性波動，不需要伴隨電子的實體流動，因此不會像傳統半導體晶片那樣因為「焦耳熱」而產生嚴重的耗散與發熱問題。

 

    然而，磁振子有一個致命的缺點——壽命太短。在過去的研究報告中，磁振子的生命週期（即能夠可靠攜帶量子資訊的時間）在最好的情況下也僅有「幾百奈秒（Nanoseconds）」。在瞬息萬變的量子計算世界裡，這麼短的時間根本來不及讓量子位元完成複雜的邏輯運算或進行長距離的資訊傳輸。這條嚴苛的物理限制，像是一道無法逾越的防火牆，長期將磁振子阻擋在實用量子架構的門外。

理論的黃金交叉：30mK 量子極限下的「18微秒」神話

 

    維也納大學的研究團隊這一次做出的核心創新，就是徹底粉碎了這道幾百奈秒的壽命魔咒。研究團隊將單晶釔鐵石榴石（Yttrium Iron Garnet, 簡稱 YIG）微型球體（直徑僅約 0.3 毫米）放置在共面波導（Coplanar Waveguide, CPW）之上，並將其置入極低溫稀釋製冷機中，將溫度冷卻至僅高於絕對零度的 30 毫克爾文（30 millikelvin, mK）。在這種極端的「量子極限（Quantum Limit）」環境下，團隊利用參數泵浦（Parametric Pumping）在吉赫茲（GHz）頻率下激發了短波長磁振子。實驗結果令全球物理學界震驚：他們觀測到的磁振子弛豫時間（Relaxation Time）突破了 5 微秒，在特定高純度樣本中甚至超過了 18 微秒！這比先前已知的最高觀測值，整整提升了將近兩個數量級（近百倍）。在 18 微秒的時間跨度下，磁振子不再是稍縱即逝的短暫訊號，而是蛻變成了穩定、持久且高度可靠的量子資訊載體。這樣的相干表現，已經完全可以媲美當今最先進超導量子處理器中所使用的超導量子位元（Superconducting Qubits）。

顛覆認知的科學發現：限制壽命的不是物理定律，而是「材料純度」

 

    除了創造 18 微秒的長壽紀錄之外，這項研究更帶來了一個對未來材料科學和量子工業影響深遠的重大理論發現：磁振子的壽命上限，並不是由某個不可動搖的自然基礎物理定律（如內在的量子耗散極限）所決定。為了找出究竟是什麼在影響磁振子的壽命，研究團隊測試了三種不同純度級別的單晶 YIG 球體。對比結果顯示出清晰的線性關係：材料的純度越高，磁振子存活的時間就越長。 這意味著，現階段觀測到的 18 微秒，依然不是這項技術的終點！過去困擾科學界數十年的磁振子能量耗散，主要是由晶體內部極其微量的「痕量雜質（Trace Impurities）」所引起的散射造成。這個發現將磁振子量子技術的瓶頸，正式從「理論物理限制」轉變為「材料工程與製造工藝」的問題。隨著半導體與人工晶體生長技術（例如更高純度的 YIG 晶體薄膜生長）的不斷精進，未來磁振子的壽命與相干時間還有望進一步拉長，為量子晶片設計提供無限的想像空間。

這項研究將如何改變未來？四大變革趨勢預測

 

    「超長壽命磁振子」的誕生，絕不僅僅是物理實驗室裡的一個數據突破，它將在以下四個維度上，為量子計算與資通訊產業帶來結構性的改變：

 

變革一：催生「一美分硬幣」大小的微型固態量子電腦

 

    當前的量子電腦需要龐大的射頻（RF）纜線、微波屏蔽罩和體積驚人的冷卻架構來操縱量子位元。然而，磁振子作為固態材料中的集體激發，其波長通常在奈米到微米級別。當其相干壽命拉長至微秒級別後，科學家可以直接在微型的固態晶片上，利用自旋波來進行量子資訊的編碼、儲存與操控。這將使量子硬體在維持高性能的同時，大幅度縮減體積與能耗，讓「一美分硬幣大小」的量子晶片成為可能。

 

變革二：打造期盼已久的「量子巴士（Quantum Bus）」

 

    在大規模可擴展的量子電腦架構中，如何讓數百個量子位元在不失去量子特性的情況下互相通訊，一直是個巨大的工程挑戰。具備 18 微秒壽命的磁振子，由於其低損耗與長距離傳播特性，完美符合了「量子巴士」的定義。它可以在單一晶片上充當高效的通訊鏈路，將數百個彼此獨立的量子位元（如超導位元或自旋位元）串聯在同一個共享通道上，解決量子處理器規模化（Scalability）的燃眉之急。

 

變革三：成為高密度、低損耗的「固態量子記憶體（Quantum Memory）」

 

    在量子通信網絡中，量子資訊不能像傳統數位訊號那樣被任意複製，因此需要極其特殊的「量子記憶體」來暫存資訊。長壽命的磁振子可以將光子（攜帶通信資訊）的量子態轉換為磁性波動並儲存起來，並在需要時無損地釋放。這項技術可望直接應用於建構低損耗、高保真度的固態量子儲存裝置。

 

變革四：作為跨平台的「通用量子翻譯官」

 

    未來的量子網絡必然是「混合型（Hybrid）」的，不同的節點可能採用不同的物理系統（例如有些用超導位元運算，有些用光子通信，有些用超導腔儲存）。磁振子天生能與聲子、光子、微波強烈耦合的特性，使其成為完美的媒介。在 18 微秒的時間寬裕度下，它可以在一塊晶片上完美將微波量子轉換為光學量子，實現不同量子技術平台之間的無縫對接。

結語與未來展望

 

    維也納大學及其國際合作團隊的這項研究，無疑為固態量子技術注入了一劑強心針。他們透過精密的低溫量子實驗，向世界宣告：磁振子並不是量子時代的「短命過客」，而是潛力無窮的「長跑健將」。這項研究巧妙地將一個看似無解的物理瓶頸，轉化為了一個可以透過提升晶體純度來解決的材料科學問題。隨著全球對高品質磁性薄膜（如 YIG 晶圓）製造技術的加大投入，我們可以大膽預測，在不久的將來，基於超長壽命磁振子的量子晶片，將在混合量子系統、低損耗量子網路以及微型化量子感測器（量子計量學）中大放異彩。這場由磁振子掀起的「一美分量子革命」，正悄然改變著我們與量子未來之間的距離。

 

 

參考文獻
“Ultralong-living magnons in the quantum limit” by 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 and Dmytro A. Bozhko, 1 May 2026, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.aee2344