Onde magnetiche microscopiche e il sogno di un computer quantistico grande quanto una moneta
Le onde magnetiche chiamate magnoni potrebbero cambiare radicalmente il futuro del quantum computing. Sembra fantascienza, eppure un gruppo internazionale di fisici guidato dall’Università di Vienna ha appena dimostrato che queste minuscole increspature di magnetizzazione possono vivere quasi 100 volte più a lungo di quanto si riteneva possibile. E questo apre scenari che fino a poco tempo fa nessuno avrebbe preso sul serio: computer quantistici grandi quanto una monetina da un centesimo.
I magnoni sono, in parole semplici, vibrazioni che si propagano all’interno di materiali magnetici solidi. Un po’ come le onde che si formano in uno stagno quando ci si lancia un sasso, ma su scala atomica. A differenza dei fotoni, che viaggiano nello spazio vuoto o nelle fibre ottiche, i magnoni restano confinati dentro il materiale. La cosa interessante è che le loro lunghezze d’onda possono ridursi fino a pochi nanometri, il che significa che circuiti basati su magnoni potrebbero stare tranquillamente su chip piccoli quanto quelli di uno smartphone. Fino a oggi, però, c’era un problema enorme: i magnoni morivano troppo in fretta. Poche centinaia di nanosecondi e sparivano, rendendo impossibile usarli per conservare o trasferire informazione quantistica in modo affidabile.
Come hanno risolto il problema della durata
Il team di ricerca, coordinato da Andrii Chumak, ha combinato due approcci. Primo: invece di generare magnoni uniformi tradizionali, hanno prodotto magnoni a lunghezza d’onda corta, che risultano naturalmente meno sensibili ai difetti microscopici sulla superficie dei cristalli. Secondo: hanno raffreddato sfere ultra pure di granato di ittrio e ferro (YIG) fino a 30 millikelvin, una temperatura appena sopra lo zero assoluto. A quel punto, i processi termici che normalmente distruggono i magnoni si bloccano quasi del tutto. Il risultato? La vita dei magnoni è passata da poche centinaia di nanosecondi a ben 18 microsecondi. Un salto enorme, che li rende paragonabili ai qubit superconduttori usati nei processori quantistici più avanzati di oggi.
Ma la scoperta forse più sorprendente riguarda cosa limita effettivamente la durata dei magnoni. Testando tre sfere di YIG con livelli diversi di purezza, i ricercatori hanno notato uno schema chiaro: più il cristallo è puro, più i magnoni sopravvivono. Anche il campione meno puro ha battuto tutti i record precedenti. Questo vuol dire che il limite non è una legge fisica invalicabile, ma dipende dalla qualità del materiale. E la qualità dei materiali si può migliorare con la tecnologia manifatturiera, senza dover attendere chissà quale rivoluzione teorica.
Perché tutto questo conta per il futuro
Con durate di vita che raggiungono i 18 microsecondi, i magnoni smettono di essere segnali effimeri e diventano potenziali dispositivi di memoria quantistica e canali di comunicazione a bassa perdita per spostare informazione quantistica all’interno di un chip. I ricercatori ipotizzano che i magnoni possano collegare centinaia di qubit attraverso un percorso condiviso, creando quel famoso “bus quantistico” che la comunità scientifica cerca da anni per scalare i computer quantistici del futuro.
C’è anche un altro aspetto che rende i magnoni particolarmente attraenti: interagiscono naturalmente con fononi, fotoni e altre quasiparticelle. Questo li trasforma in una sorta di traduttori universali, capaci di far dialogare tecnologie che normalmente non riescono a comunicare tra loro. Lo studio, pubblicato su Science Advances, si basa sugli esperimenti condotti da Rostyslav Serha durante il suo dottorato, con la collaborazione dell’Università del Colorado, Colorado Springs, e istituti di ricerca in Germania, Stati Uniti e Ucraina. Insomma, la strada verso computer quantistici ultra compatti è ancora lunga, ma queste onde magnetiche microscopiche sembrano aver trovato la chiave giusta per percorrerla.
