I magnoni, minuscole onde magnetiche fino a poco tempo fa considerate troppo effimere per servire a qualcosa di concreto, potrebbero diventare i mattoni di computer quantistici grandi come una monetina. Un gruppo internazionale di fisici è riuscito a trasformare questi segnali fugaci in portatori affidabili di informazione quantistica, allungandone la vita di quasi 100 volte. Un salto che avvicina in modo tangibile l’idea di un computer quantistico compatto, potenzialmente delle dimensioni di una moneta da un centesimo.
La ricerca, guidata da Andrii Chumak dell’Università di Vienna, ha portato la durata dei magnoni da poche centinaia di nanosecondi fino a 18 microsecondi. E non è solo una questione di numeri. Il gruppo ha scoperto qualcosa di ancora più interessante, cioè che il vero limite alla longevità di queste onde non è una legge fisica invalicabile, ma la purezza del materiale in cui si muovono. Tradotto, i miglioramenti futuri potrebbero arrivare da una manifattura migliore, non da scoperte rivoluzionarie ancora tutte da fare.
Cosa sono davvero i magnoni
Immaginate un sasso che cade in uno stagno e le increspature che si allargano sull’acqua. Ecco, i magnoni funzionano più o meno così, solo che sono onde di magnetizzazione che viaggiano dentro i solidi magnetici. A differenza dei fotoni, che possono muoversi nel vuoto o dentro le fibre ottiche, i magnoni restano intrappolati nel materiale magnetico.
Il loro punto di forza è la dimensione. Le lunghezze d’onda possono ridursi fino a pochi nanometri, il che significa che i circuiti basati su queste onde potrebbero stare su chip non più grandi di quelli già presenti negli smartphone. In più i magnoni interagiscono in modo naturale con altre quasiparticelle come fononi e fotoni, e questo li rende candidati interessanti per i sistemi quantistici ibridi e per la metrologia quantistica.
Il problema della durata, finalmente risolto
Per anni l’ostacolo più grosso è stato proprio quello. I magnoni sopravvivevano appena qualche centinaio di nanosecondi, sparivano troppo in fretta per immagazzinare o trasferire in modo affidabile l’informazione quantistica. Poco utili, insomma, per costruirci qualcosa sopra.
Adesso lo scenario cambia. Portando la loro durata fino a 18 microsecondi, i ricercatori hanno trasformato segnali un tempo fugaci in vettori che durano a lungo. Prestazioni che ormai si avvicinano ai tempi richiesti dalle tecnologie quantistiche pratiche e che rendono i magnoni paragonabili ai qubit superconduttori usati oggi nei processori quantistici di punta.
Come ci sono riusciti? Combinando due tecniche. Da un lato hanno generato magnoni a lunghezza d’onda corta, che per loro natura sono meno sensibili ai piccoli difetti sulla superficie del cristallo, quei difetti che nelle prove precedenti accorciavano la vita delle onde. Dall’altro hanno raffreddato sfere ultrapure di ittrio ferro granato, la cosiddetta YIG, fino a 30 millikelvin dentro un criostato a fase mista. A temperature così vicine allo zero assoluto i processi termici che di solito distruggono i magnoni vengono di fatto congelati.
Il limite è il materiale, non la fisica
Forse la scoperta più sorprendente riguarda proprio cosa oggi frena la durata dei magnoni. Testando tre sfere di YIG con livelli diversi di purezza è emerso un dato chiaro. Più il cristallo è puro, più le onde sopravvivono. E persino il campione meno puro ha battuto ogni esperimento precedente.
Il messaggio è che i progressi futuri dipenderanno soprattutto dalla scienza dei materiali, non dal dover superare un muro imposto dalla natura. Man mano che verranno prodotti materiali magnetici sempre più puri, la vita dei magnoni potrà allungarsi ancora.
Con durate di 18 microsecondi questi segnali diventano molto più di un lampo temporaneo. Possono servire da memoria quantistica affidabile e da canali di comunicazione a bassa perdita per spostare l’informazione attraverso un chip. I ricercatori ipotizzano che i magnoni possano un giorno collegare centinaia di qubit lungo un percorso condiviso, dando vita a quel tanto atteso quantum bus utile a far crescere i futuri computer quantistici. E dato che interagiscono con molti sistemi diversi, potrebbero anche fare da traduttori universali tra tecnologie che normalmente non riescono a comunicare.
Lo studio si basa sugli esperimenti condotti da Rostyslav Serha durante il dottorato. Il progetto è stato guidato dall’Università di Vienna insieme all’Università del Colorado a Colorado Springs e a istituti di ricerca in Germania, Stati Uniti e Ucraina, con la partecipazione di Kaitlin McAllister attraverso la Vienna Doctoral School in Physics.