Uma equipe de físicos superou um grande obstáculo na computação quântica ao aumentar drasticamente a vida útil dos magnons, as minúsculas ondas magnéticas que podem transportar informações quânticas. Os investigadores prolongaram a sua vida útil de algumas centenas de nanossegundos para 18 microssegundos, o que é quase 100 vezes mais longo do que o alcançado anteriormente. Isso poderia eventualmente ajudar a criar computadores quânticos ultracompactos, potencialmente do tamanho de uma moeda de 1 centavo.
Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Andrei Chumak, da Universidade de Viena, também descobriu informações importantes. Eles descobriram que a vida útil dos magnons é, em última análise, limitada não pelas leis da física, mas pela qualidade do material através do qual eles viajam. Seus resultados foram publicados em Conquistas da ciência.
O que são magnons?
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 jogada na água. Ao contrário dos fótons que se movem através do espaço vazio ou das fibras ópticas, os magnons permanecem dentro de materiais magnéticos.
Como seu comprimento de onda pode diminuir para apenas alguns nanômetros, os circuitos baseados em magnon poderiam caber em chips não maiores do que aqueles já encontrados em smartphones. Os Magnons também 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 sobre a vida de Magnon
Durante muitos anos, um dos maiores problemas enfrentados pela tecnologia magnon tem sido a sua vida útil extremamente curta. Como só conseguiram sobreviver durante algumas centenas de nanossegundos, desapareceram demasiado rapidamente para armazenar ou transmitir informações quânticas de forma fiável.
Um novo estudo muda esse quadro. Ao aumentar a vida útil dos magnons para 18 microssegundos, os pesquisadores transformaram esses sinais, antes fugazes, em portadores de informação quântica de longo prazo. Seu desempenho está agora se aproximando das escalas de tempo necessárias para tecnologias quânticas práticas e torna os magnons comparáveis aos qubits supercondutores usados nos principais processadores quânticos da atualidade.
Como os pesquisadores alcançaram um avanço
O avanço resultou da combinação de duas técnicas importantes.
Primeiro, em vez de usar magnons uniformes convencionais, a equipe criou magnons de comprimento de onda curto. Eles são naturalmente menos sensíveis aos pequenos defeitos na superfície do cristal que encurtaram a vida útil do magnon em experimentos anteriores.
Em segundo lugar, os pesquisadores resfriaram esferas ultrapuras de granada de ferro-ítrio (IIG) a uma temperatura de apenas 30 milikelvins em um criostato de fase mista. Em temperaturas apenas uma fração de grau acima do zero absoluto, os processos térmicos que normalmente destroem os magnons na verdade congelam.
Os materiais, e não a física, estabelecem o limite
Talvez a descoberta mais surpreendente tenha sido a determinação do que atualmente limita a expectativa de vida de Magnon.
Depois de testar três esferas YIG com diferentes níveis de pureza, os pesquisadores encontraram um padrão claro. Quanto mais puro o cristal, mais tempo os magnons persistem. Mesmo a amostra menos pura superou todos os experimentos anteriores.
Os resultados sugerem que as melhorias futuras dependem principalmente dos avanços na ciência dos materiais, e não da superação de uma lei inevitável da natureza. À medida que os pesquisadores desenvolvem materiais magnéticos ainda mais puros, a vida útil dos magnons pode continuar a aumentar.
Por que isso é importante para a computação quântica
Com tempos de vida atingindo 18 microssegundos, os magnons tornam-se muito maiores que os sinais transitórios. Eles podem servir como dispositivos confiáveis de memória quântica e canais de comunicação de baixa perda que movem informações quânticas pelo chip.
Magnons poderiam eventualmente conectar centenas de qubits através de um caminho comum, dizem os pesquisadores, criando um tão esperado “barramento quântico” que ajudará a dimensionar futuros computadores quânticos. Como os magnons interagem naturalmente com muitos sistemas quânticos diferentes, eles também podem atuar como tradutores universais, permitindo que tecnologias que normalmente não conseguem se comunicar entre si trabalhem juntas.
A pesquisa é baseada em experimentos realizados por Rastislav Serga durante seu doutorado. O projeto foi liderado pela Universidade de Viena em cooperação com a Universidade do Colorado em Colorado Springs e instituições de pesquisa na Alemanha, nos Estados Unidos e na Ucrânia. A coautora Caitlin McAllister participou do Programa de Doutorado em Física de Viena, que oferece estágios para estudantes de pós-graduação de destaque de todo o mundo.
