Uma equipe de físicos superou um grande obstáculo na computação quântica ao aumentar drasticamente a vida útil dos magnons, pequenas ondas magnéticas que podem transportar informações quânticas. Os investigadores prolongaram a sua vida útil de apenas algumas centenas de nanossegundos para 18 microssegundos, quase 100 vezes mais do que o alcançado anteriormente. O avanço poderá eventualmente ajudar a construir computadores quânticos ultracompactos, potencialmente tão pequenos quanto uma moeda de 1 centavo.
Uma equipa de investigação internacional liderada por Andri Chumak, da Universidade de Viena, também descobriu uma descoberta importante. Eles descobriram que a vida útil dos magnons não é limitada pelas leis da física, mas pela qualidade do material através do qual eles viajam. Seus resultados foram publicados A ciência avança.
O que é Magnon:
Magnons são pequenas ondas de magnetização que viajam através de sólidos magnéticos. Elas podem ser comparadas às ondulações que se espalham por um lago depois que uma pedra é atirada na água. Ao contrário dos fótons, que viajam pelo espaço livre ou pelas fibras ópticas, os magnons permanecem dentro da matéria magnética.
Como seu comprimento de onda pode ser reduzido para apenas alguns nanômetros, os circuitos baseados em magnon podem caber em chips maiores do que os já encontrados em smartphones. Os Magnons interagem naturalmente com outras quasipartículas fundamentais, incluindo fônons e fótons, tornando-os blocos de construção atraentes para sistemas quânticos híbridos e metrologia quântica.
Resolvendo o problema da vida útil de Magnon
Ao longo dos anos, um dos maiores desafios enfrentados pelas tecnologias Magnon tem sido a sua vida útil extremamente curta. Como eles só podem viver por algumas centenas de nanossegundos, eles desaparecem muito rapidamente para armazenar ou transferir informações quânticas de maneira confiável.
Novas pesquisas mudaram esse quadro. Ao estender a vida útil do magnon para 18 microssegundos, os pesquisadores transformaram esses sinais antes efêmeros em portadores duradouros de informação quântica. Seu desempenho está agora se aproximando das escalas de tempo exigidas para a tecnologia quântica prática e torna os magnons comparáveis aos qubits supercondutores usados nos principais processadores quânticos da atualidade.
Como os pesquisadores alcançaram sucesso
Este avanço resultou da combinação de duas estratégias importantes.
Primeiro, em vez de usar magnons uniformes convencionais, a equipe criou magnons de comprimento de onda curto. Eles são naturalmente menos sensíveis a pequenos defeitos na superfície do cristal, o que encurtou a vida útil do magnon em experimentos anteriores.
Em segundo lugar, os pesquisadores resfriaram esferas ultrapuras de granada de ítrio e ferro (YIG) a apenas 30 milikelvin dentro de um criostato de fase mista. Em temperaturas apenas uma fração de grau acima do zero absoluto, os processos térmicos que normalmente destroem os magnons são efetivamente congelados.
A matéria, não a física, estabeleça o limite
Talvez a descoberta mais surpreendente tenha sido a identificação que agora limita a vida de Magnon.
Examinando três esferas YIG com diferentes níveis de pureza, os pesquisadores encontraram um padrão claro. Quanto mais puro o cristal, mais tempo vive o magnon. Mesmo a amostra menos pura superou todos os testes anteriores.
Os resultados sugerem que as melhorias futuras dependem em grande parte dos avanços na ciência dos materiais, em vez da superação das inevitáveis leis da natureza. A vida útil do Magnon pode melhorar à medida que os pesquisadores desenvolvem materiais magnéticos mais puros.
Por que isso é importante para a computação quântica?
Com tempos de vida que chegam a 18 microssegundos, os magnons tornam-se muito mais do que sinais transitórios. Eles podem servir como dispositivos confiáveis de memória quântica e canais de comunicação de baixa perda que transferem informações quânticas através de um chip.
Os pesquisadores dizem que os magnons poderiam eventualmente conectar centenas de qubits por meio de um caminho compartilhado, criando um “barramento quântico” há muito procurado que ajudaria a dimensionar futuros computadores quânticos. Como os magnons interagem naturalmente com diferentes sistemas quânticos, eles também podem atuar como tradutores universais, permitindo tecnologias que normalmente não funcionariam juntas entre si.
O estudo é baseado em experimentos conduzidos por Rostislav Serha durante sua pesquisa de doutorado. O projeto foi liderado pela Universidade do Colorado, Colorado Springs e pela Universidade de Viena, em colaboração com instituições de pesquisa na Alemanha, nos Estados Unidos e na Ucrânia. A coautora Caitlin McAllister participou da Escola de Doutorado em Física de Viena, que oferece estágios para excelentes alunos de mestrado de todo o mundo.
