La computación cuántica promete revolucionar las formas en que los científicos pueden procesar y manipular la información. Los fundamentos físicos y materiales de las tecnologías cuánticas aún se están explorando, y los investigadores continúan buscando nuevas formas de manipular e intercambiar información a nivel cuántico.

En un estudio reciente, Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han creado un circuito superconductor miniaturizado basado en chips que acopla ondas cuánticas de espines magnéticos llamados magnones con fotones de energía equivalente. A través del desarrollo de este enfoque "en chip" que combina el magnetismo y la superconductividad para la manipulación de información cuántica, este descubrimiento fundamental podría ayudar a sentar las bases de futuros avances en la computación cuántica.

Los magnones emergen en sistemas ordenados magnéticamente como excitaciones dentro de un material magnético que provocan una oscilación de las direcciones de magnetización en cada átomo del material, un fenómeno llamado onda de giro. "Puedes pensar en ello como tener una serie de agujas de brújula que están todas unidas magnéticamente, "dijo Valentine Novosad, científico de materiales de Argonne, un autor del estudio. "Si pateas a uno en una dirección en particular, provocará una onda que se propagará a través del resto ".

Así como los fotones de luz pueden considerarse ondas y partículas, también pueden magnones. "La onda electromagnética representada por un fotón es equivalente a la onda de giro representada por un magnón; las dos son análogas entre sí, "dijo el investigador postdoctoral de Argonne, Yi Li, otro autor del estudio.

Debido a que los fotones y los magnones comparten una relación tan estrecha entre sí, y ambos contienen un componente de campo magnético, los científicos de Argonne buscaron una manera de unir los dos. Los magnones y los fotones "hablan" entre sí a través de una cavidad de microondas superconductora, que transporta fotones de microondas con una energía idéntica a la energía de los magnones en los sistemas magnéticos que podrían emparejarse con él.

El uso de un resonador superconductor con una geometría coplanar resultó efectivo porque permitió a los investigadores transmitir una corriente de microondas con bajas pérdidas. Adicionalmente, también les permitió definir convenientemente la frecuencia de los fotones para acoplarse a los magnones.

"Al emparejar la longitud correcta de resonador con la energía correcta de nuestros magnones y fotones, En esencia, estamos creando una especie de cámara de eco para la energía y la información cuántica, "Dijo Novosad." Las excitaciones permanecen en el resonador durante un período de tiempo mucho más largo, y cuando se trata de hacer computación cuántica, esos son los momentos preciosos durante los cuales podemos realizar operaciones ".

Debido a que las dimensiones del resonador determinan la frecuencia del fotón de microondas, Se requieren campos magnéticos para sintonizar el magnón para que coincida.

"Puedes pensar en ello como afinar una guitarra o un violín, "Dijo Novosad." La longitud de su cuerda, en este caso, nuestro resonador de fotones — está fijo. Independientemente, para los magnones, podemos afinar el instrumento ajustando el campo magnético aplicado, que es similar a modificar la cantidad de tensión en la cuerda ".

Por último, Li dijo:la combinación de un sistema superconductor y magnético permite un acoplamiento y desacoplamiento precisos del magnón y el fotón, presentando oportunidades para manipular información cuántica.

Centro de Argonne para materiales a nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, se utilizó para procesar litográficamente el resonador.

Un artículo basado en el estudio, "Fuerte acoplamiento entre magnones y fotones de microondas en dispositivos de película delgada de superconductor de ferromagnético en chip, "apareció en la edición del 3 de septiembre de Cartas de revisión física y también se destacó en la sugerencia de los editores.