Revolución en computación cuántica: magnones prometen computadoras del tamaño de un centavo

Un equipo de físicos logró superar un importante obstáculo en la computación cuántica al aumentar drásticamente la vida útil de los magnones, que son ondas magnéticas capaces de transportar información cuántica. Los investigadores ampliaron su duración de unos pocos cientos de nanosegundos a hasta 18 microsegundos, casi 100 veces más de lo que se había logrado anteriormente. Este avance podría facilitar la creación de computadoras cuánticas ultracompactas, potencialmente del tamaño de una moneda de un centavo.

El equipo de investigación internacional, liderado por Andrii Chumak de la Universidad de Viena, también descubrió un hallazgo importante: la vida útil de los magnones no está limitada por las leyes de la física, sino por la calidad del material a través del cual viajan. Los resultados de este estudio fueron publicados en la revista Science Advances.

¿Qué son los magnones?

Los magnones son ondas diminutas de magnetización que se desplazan a través de sólidos magnéticos. Se pueden comparar con las ondas que se forman en un estanque cuando se lanza una piedra al agua. A diferencia de los fotones, que viajan a través del espacio vacío o fibras ópticas, los magnones permanecen dentro de los materiales magnéticos.

Debido a que sus longitudes de onda pueden reducirse a unos pocos nanómetros, los circuitos basados en magnones podrían caber en chips no más grandes que los que ya se encuentran en los teléfonos inteligentes. Además, los magnones interactúan de manera natural con otras cuasipartículas fundamentales, incluidos los 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 los magnones

Durante años, uno de los mayores desafíos que enfrentaba la tecnología de los magnones era su vida útil extremadamente corta. Dado que solo podían sobrevivir unos pocos cientos de nanosegundos, desaparecían demasiado rápido como para almacenar o transferir información cuántica de manera confiable.

El nuevo estudio cambia esta perspectiva. Al aumentar la vida útil de los magnones hasta 18 microsegundos, los investigadores transformaron estas señales efímeras en portadores de información cuántica duraderos. Su rendimiento ahora se aproxima a los tiempos necesarios para tecnologías cuánticas prácticas, lo que hace que los magnones sean comparables a los qubits superconductores utilizados en los procesadores cuánticos más avanzados de hoy.

Cómo lograron los investigadores este avance

El avance se logró mediante la combinación de dos técnicas importantes. Primero, en lugar de utilizar magnones uniformes convencionales, el equipo generó magnones de corta longitud de onda. Estos son naturalmente menos sensibles a pequeños defectos en la superficie del cristal, que habían acortado la vida útil de los magnones en experimentos anteriores.

En segundo lugar, los investigadores enfriaron esferas ultrapurificadas de granate de hierro yitrio (YIG) a solo 30 milikelvins dentro de un criostato de fase mixta. A temperaturas apenas superiores al cero absoluto, los procesos térmicos que normalmente destruyen los magnones se congelan.

Los materiales, no la física, establecen el límite

Quizás el descubrimiento más sorprendente fue identificar qué limita ahora la vida útil de los magnones. Al probar tres esferas de YIG con diferentes niveles de pureza, los investigadores encontraron un patrón claro: cuanto más pura es la cristal, más tiempo sobreviven los magnones. Incluso la muestra menos pura superó a todos los experimentos anteriores.

Los resultados sugieren que las futuras mejoras dependen principalmente de los avances en ciencia de materiales, en lugar de tener que superar una ley de la naturaleza inevitable. A medida que los investigadores desarrollen materiales magnéticos aún más puros, es probable que la vida útil de los magnones siga mejorando.

Por qué esto es importante para la computación cuántica

Con vidas útiles que alcanzan los 18 microsegundos, los magnones se convierten en algo más que señales temporales. Podrían servir como dispositivos de memoria cuántica confiables y canales de comunicación de baja pérdida que transporten información cuántica a través de un chip.

Los investigadores afirman que los magnones podrían eventualmente conectar cientos de qubits a través de un camino compartido, creando un tan ansiado "autobús cuántico" que ayudaría a escalar las computadoras cuánticas del futuro. Debido a que los magnones interactúan de manera natural con muchos sistemas cuánticos diferentes, también podrían actuar como traductores universales, permitiendo que tecnologías que normalmente no pueden comunicarse entre sí trabajen juntas.

El estudio se basa en experimentos realizados por Rostyslav Serha durante su investigación doctoral. El proyecto fue liderado por la Universidad de Viena en colaboración con la Universidad de Colorado, Colorado Springs, y con instituciones de investigación en Alemania, Estados Unidos y Ucrania. La coautora Kaitlin McAllister participó a través de la Escuela Doctoral de Física de Viena, que ofrece pasantías para estudiantes de maestría destacados de todo el mundo.

Temas