Las computadoras cuánticas prometen abordar algunos de los problemas más desafiantes que enfrenta la humanidad en la actualidad. Si bien se ha prestado mucha atención al cálculo de información cuántica, la transducción de información dentro de redes cuánticas es igualmente crucial para materializar el potencial de esta nueva tecnología.
Para abordar esta necesidad, un equipo de investigación del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) está introduciendo un nuevo enfoque para la transducción de información cuántica. El equipo ha manipulado bits cuánticos, los llamados qubits, aprovechando el campo magnético de los magnones (excitaciones ondulatorias en un material magnético) que se producen dentro de los discos magnéticos microscópicos. Los investigadores han presentado sus resultados en la revista Science Advances .
La construcción de una computadora cuántica universal programable es uno de los esfuerzos científicos y de ingeniería más desafiantes de nuestro tiempo. La realización de un ordenador de este tipo tiene un gran potencial para diversos sectores industriales, como la logística, las finanzas y la farmacia. Sin embargo, la construcción de una computadora cuántica práctica se ha visto obstaculizada por la fragilidad intrínseca de cómo se almacena y procesa la información en esta tecnología. La información cuántica está codificada en qubits, que son extremadamente susceptibles al ruido de su entorno. Pequeñas fluctuaciones térmicas, de una fracción de grado, podrían alterar por completo el cálculo.
Esto ha llevado a los investigadores a distribuir las funcionalidades de las computadoras cuánticas entre distintos bloques de construcción separados, en un esfuerzo por reducir las tasas de error y aprovechar las ventajas complementarias de sus componentes.
"Sin embargo, esto plantea el problema de transferir la información cuántica entre los módulos de manera que la información no se pierda", dice el investigador del HZDR Mauricio Bejarano, primer autor de la publicación. "Nuestra investigación se centra precisamente en este nicho específico:transducir la comunicación entre distintos módulos cuánticos".
El método actualmente establecido para transferir información cuántica y direccionar qubits es a través de antenas de microondas. Este es el enfoque utilizado por Google e IBM en sus chips superconductores, la plataforma tecnológica que está a la vanguardia de esta carrera cuántica.
"Nosotros, en cambio, abordamos los qubits con magnones", afirma el físico del HZDR Helmut Schultheiss, que supervisó el trabajo. "Se pueden considerar como ondas de excitación magnética que atraviesan un material magnético. La ventaja aquí es que la longitud de onda de los magnones se encuentra en el rango micrométrico y es significativamente más corta que las ondas centimétricas de la tecnología de microondas convencional. Por lo tanto, la huella de microondas de Los magnones cuestan menos espacio en el chip."
El grupo HZDR investigó la interacción de magnones y qubits formados por vacantes de átomos de silicio en la estructura cristalina del carburo de silicio, un material comúnmente utilizado en electrónica de alta potencia. Estos tipos de qubits suelen denominarse qubits de espín, dado que la información cuántica está codificada en el estado de espín de la vacante. Pero, ¿cómo se pueden utilizar los magnones para controlar este tipo de qubits?
"Normalmente, los magnones se generan con antenas de microondas. Esto plantea el problema de que es muy difícil separar el accionamiento de microondas procedente de la antena del que procede de los magnones", explica Bejarano.
Para aislar las microondas de los magnones, el equipo de HZDR utilizó un fenómeno magnético exótico observable en discos magnéticos microscópicos de una aleación de níquel-hierro.
"Debido a un proceso no lineal, algunos magnones dentro del disco poseen una frecuencia mucho más baja que la frecuencia de conducción de la antena. Manipulamos los qubits sólo con estos magnones de menor frecuencia", dice la investigación.
El equipo de investigación destaca que todavía no han realizado ningún cálculo cuántico. Sin embargo, demostraron que es fundamentalmente factible abordar qubits exclusivamente con magnones.
"Hasta ahora, la comunidad de ingenieros cuánticos no se ha dado cuenta de que los magnones pueden utilizarse para controlar los qubits", subraya Schultheiss. "Pero nuestros experimentos demuestran que estas ondas magnéticas podrían ser útiles."
Para seguir desarrollando su enfoque, el equipo ya está preparando sus planes futuros:quieren intentar controlar varios qubits individuales estrechamente espaciados de tal manera que los magnones medien en su proceso de entrelazamiento, un requisito previo para realizar cálculos cuánticos.
Su visión es que, a largo plazo, los magnones podrían excitarse mediante corrientes eléctricas directas con tal precisión que se dirijan específica y exclusivamente a un único qubit de una serie de qubits. Esto permitiría utilizar magnones como bus cuántico programable para abordar qubits de una manera extremadamente eficaz. Si bien queda mucho trabajo por delante, la investigación del grupo destaca que la combinación de sistemas magnónicos con tecnologías cuánticas podría proporcionar información útil para el desarrollo de una computadora cuántica práctica en el futuro.
Más información: Mauricio Bejarano et al, Transducción paramétrica de magnones para girar qubits, Avances científicos (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi2042. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2042
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
