Un equipo de físicos ha superado un obstáculo importante en la computación cuántica al aumentar drásticamente la vida útil de los magnones, pequeñas ondas magnéticas que pueden transportar información cuántica. Los investigadores ampliaron su vida útil de unos pocos cientos de nanosegundos a 18 microsegundos, casi 100 veces más de lo logrado anteriormente. El avance podría eventualmente ayudar a construir computadoras cuánticas ultracompactas, potencialmente tan pequeñas como una moneda de 1 centavo.
Un equipo de investigación internacional dirigido por Andri Chumak de la Universidad de Viena también descubrió una idea importante. Descubrieron que, en última instancia, la vida útil de los magnones no está limitada por las leyes de la física, sino por la calidad del material por el que viajan. Sus resultados fueron publicados Avances de la ciencia.
¿Qué es Magnon?
Los magnones son pequeñas ondas de magnetización que viajan a través de sólidos magnéticos. Se pueden comparar con las ondas que se extienden por un estanque después de arrojar una piedra al agua. A diferencia de los fotones, que viajan a través del espacio libre o de fibras ópticas, los magnones permanecen dentro de la materia magnética.
Debido a que su longitud de onda puede reducirse a unos pocos nanómetros, los circuitos basados en magnones pueden caber en chips más grandes que los que ya se encuentran en los teléfonos inteligentes. Los magnones interactúan naturalmente con otras cuasipartículas fundamentales, incluidos fonones y fotones, lo que los convierte en bloques de construcción atractivos para sistemas cuánticos híbridos y metrología cuántica.
Resolviendo el problema de la vida útil de Magnon
A lo largo de los años, uno de los mayores desafíos que enfrentan las tecnologías Magnon ha sido su extremadamente corta vida útil. Debido a que sólo pueden vivir unos pocos cientos de nanosegundos, desaparecen demasiado rápido para almacenar o transferir información cuántica de manera confiable.
Una nueva investigación ha cambiado ese panorama. Al extender la vida útil del magnón a 18 microsegundos, los investigadores convirtieron estas señales que alguna vez fueron efímeras en portadores duraderos de información cuántica. Su rendimiento se acerca ahora a las escalas de tiempo necesarias para la tecnología cuántica práctica y hace que los magnones sean comparables a los qubits superconductores utilizados en los principales procesadores cuánticos actuales.
Cómo los investigadores lograron el éxito
Este avance fue el resultado de la combinación de dos estrategias importantes.
Primero, en lugar de utilizar magnones uniformes convencionales, el equipo creó magnones de longitud de onda corta. Naturalmente, son menos sensibles a pequeños defectos en la superficie del cristal, lo que acortó la vida útil del magnón en experimentos anteriores.
En segundo lugar, los investigadores enfriaron esferas ultrapuras de granate de itrio y hierro (YIG) a sólo 30 mikelvin dentro de un criostato de fase mixta. A temperaturas de sólo una fracción de grado por encima del cero absoluto, los procesos térmicos que normalmente destruyen los magnones quedan efectivamente congelados.
La materia, no la física, establece el límite
Quizás el descubrimiento más sorprendente fue la identificación que ahora limita la esperanza de vida de Magnon.
Al examinar tres esferas YIG con diferentes niveles de pureza, los investigadores encontraron un patrón claro. Cuanto más puro es el cristal, más vive el magnón. Incluso la muestra menos pura superó todas las pruebas anteriores.
Los resultados sugieren que las mejoras futuras dependen en gran medida de los avances en la ciencia de los materiales en lugar de superar las inevitables leyes de la naturaleza. La vida útil de los magnones puede mejorar a medida que los investigadores desarrollen materiales magnéticos más puros.
¿Por qué es esto importante para la computación cuántica?
Con una vida útil que alcanza los 18 microsegundos, los magnones se convierten en mucho más que señales transitorias. Pueden servir como dispositivos confiables de memoria cuántica y canales de comunicación de baja pérdida que transfieren información cuántica a través de un chip.
Los investigadores dicen que los magnones podrían eventualmente conectar cientos de qubits a través de una ruta compartida, creando un “bus cuántico” largamente buscado que ayudaría a escalar futuras computadoras cuánticas. Debido a que los magnones interactúan naturalmente con diferentes sistemas cuánticos, también pueden actuar como traductores universales, permitiendo tecnologías que normalmente no funcionarían juntas entre sí.
El estudio se basa en experimentos realizados por Rostislav Serha durante su investigación doctoral. El proyecto fue dirigido por la Universidad de Colorado, Colorado Springs y la Universidad de Viena en colaboración con instituciones de investigación de Alemania, Estados Unidos y Ucrania. La coautora Caitlin McAllister participó a través de la Escuela de Doctorado en Física de Viena, que ofrece pasantías a destacados estudiantes de maestría de todo el mundo.
