Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

Durante casi un siglo, los científicos han utilizado una prueba sencilla para comprender cómo los materiales recuerdan su pasado. Al aplicar un campo magnético a un trozo de hierro y luego revertirlo lentamente, observan un desfase: el material no cambia instantáneamente su dirección magnética cuando la fuerza externa cambia. En su lugar, se resiste, manteniendo su orientación original hasta que la fuerza opuesta es lo suficientemente fuerte como para romper su agarre. Este fenómeno, conocido como histéresis, es la razón por la cual los imanes pueden almacenar datos y por la cual ciertos materiales actúan como dispositivos de memoria. En el mundo clásico de la física cotidiana, este comportamiento está bien comprendido y se basa en la existencia de regiones magnéticas estables que resisten el cambio. Sin embargo, una regla fundamental de la física clásica establece que en una línea unidimensional de átomos magnéticos, dicha resistencia debería ser imposible. Sin la dimensión adicional para crear estructuras complejas y estables, estas líneas deberían girar de forma instantánea y perfecta con el campo aplicado, sin mostrar memoria alguna.

Esto crea una situación desconcertante para la física moderna. Investigadores han comenzado recientemente a utilizar potentes computadoras cuánticas, específicamente dispositivos diseñados para resolver problemas complejos de optimización, para simular materiales magnéticos. Estas máquinas operan a temperaturas cercanas al cero absoluto y utilizan las extrañas reglas de la mecánica cuántica, donde las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez y atravesar barreras mediante túneles. Debido a que estos sistemas cuánticos están diseñados para escapar de estados bloqueados y encontrar la mejor solución rápidamente, se esperaba que eliminaran los mismos efectos de memoria que causan la histéresis. Sin embargo, cuando los científicos realizaron experimentos en estas máquinas, encontraron lo contrario. Incluso en líneas unidimensionales de miles de bits cuánticos, el sistema se negó a girar instantáneamente. Mostró una resistencia obstinada, una clara memoria de su estado previo y un desfase que desafía las expectativas clásicas. Este descubrimiento sugiere que la mecánica cuántica, en lugar de borrar la memoria, puede crear tipos completamente nuevos de la misma.

En un nuevo estudio, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos se propuso comprender este sorprendente comportamiento. Utilizaron tres generaciones diferentes de recocedores cuánticos (quantum annealers) de D-Wave, que son computadoras especializadas que contienen miles de qubits superconductores. Los investigadores programaron estas máquinas para que actuaran como largos anillos de espines magnéticos, algunos de los cuales contenían hasta 4,906 unidades individuales. Luego aplicaron un campo magnético que cambiaba de dirección lentamente, imitando la clásica prueba de histéresis. Los resultados fueron impactantes. Incluso en los anillos unidimensionales, donde la física clásica predice que no hay resistencia, el sistema cuántico mostró una "coercitividad" distintiva, una medida de qué tan difícil es girar la magnetización. El sistema no solo giró; vaciló, creando un bucle en los datos que demostró que estaba recordando su orientación pasada. Esta memoria persistió incluso en regímenes donde la teoría clásica dice que debería estar prohibida.

Para explicar cómo sucede esto, el equipo desarrolló un nuevo marco teórico que combina dos formas diferentes de ver el problema. Se dieron cuenta de que el sistema se comporta como un híbrido de una máquina cuántica y una clásica. En el lado cuántico, el sistema experimenta saltos rápidos y discretos entre estados de energía, similares a una partícula atravesando una pared mediante efecto túnel. En el lado clásico, una vez que estos saltos ocurren, el sistema se comporta como una colección de fronteras móviles, o "paredes de dominio", que separan regiones de diferente alineación magnética. Los investigadores descubrieron que el efecto de memoria surge de la interacción entre estos dos procesos. Los saltos cuánticos crean estados excitados que no son la configuración de menor energía, y el movimiento de las paredes de dominio determina qué tan rápido el sistema puede relajarse hacia un estado estable. Debido a que el sistema queda atrapado en estos estados excitados por un tiempo, no puede girar instantáneamente, creando el desfase observado.

El estudio confirmó que este comportamiento no es solo un error del hardware, sino un fenómeno físico genuino. Los investigadores observaron firmas específicas que solo un sistema cuántico podría producir, como una respuesta negativa temporal al campo magnético y reversiones no monotónicas, donde la magnetización gira hacia adelante y hacia atrás en un patrón complejo antes de establecerse. Estas características fueron reproducidas en sus simulaciones por computadora, que utilizaron un método que alterna entre calcular transiciones cuánticas exactas y modelar el movimiento de las fronteras magnéticas. Las simulaciones coincidieron casi perfectamente con los datos experimentales de los recocedores cuánticos, capturando la forma de los bucles de histéresis y la forma en que el efecto de memoria cambiaba según se alteraba la velocidad del barrido del campo.

Uno de los hallazgos más significativos es que esta memoria cuántica es distinta de la memoria térmica vista en materiales ordinarios. En un imán estándar, el calor ayuda al material a girar. En estos experimentos cuánticos, la memoria persiste incluso cuando el sistema está lo suficientemente frío como para que las fluctuaciones térmicas sean insignificantes. En su lugar, la memoria es impulsada por la competencia entre la velocidad a la que se cambia el campo magnético y las brechas de energía naturales entre los estados cuánticos. Si el campo se cambia demasiado rápido, el sistema no puede seguir el ritmo y se queda atrapado en un estado de alta energía. Si se cambia lentamente, el sistema tiene tiempo para relajarse. Los investigadores descubrieron que, al ajustar la fuerza de las fuerzas cuánticas y la velocidad del barrido, podían controlar el tamaño del efecto de memoria, encogiendo o expandiendo el bucle de histéresis a voluntad.

El equipo también exploró cómo el tamaño del sistema afecta este comportamiento. Probaron anillos que iban desde solo cuatro qubits hasta casi cinco mil. En los sistemas más pequeños, los efectos cuánticos eran más pronunciados, pero el efecto de memoria se mantuvo robusto incluso en los anillos más grandes. Esto sugiere que el fenómeno no es una anomalía de pequeña escala, sino una propiedad fundamental de cómo evolucionan los sistemas cuánticos cuando son impulsados fuera del equilibrio. Los investigadores señalaron que en rejillas bidimensionales, el comportamiento era diferente, con un ordenamiento magnético más fuerte y campos más grandes requeridos para girar los espines, consistente con lo que se sabe sobre los imanes clásicos. Sin embargo, los anillos unidimensionales siguieron siendo los más sorprendentes, ya que exhibieron un nivel de resistencia que la física clásica dice que no debería existir.

Este trabajo establece a los recocedores cuánticos como herramientas poderosas para estudiar la dinámica fuera del equilibrio, un campo que trata sobre cómo se comportan los sistemas cuando están siendo empujados y tirados en lugar de estar en un estado tranquilo. Al demostrar que estas máquinas pueden exhibir memoria programable, los investigadores han abierto una nueva vía para explorar cómo los sistemas cuánticos procesan la información y retienen la historia. La capacidad de observar y controlar estos efectos en un dispositivo programable significa que los científicos ahora pueden probar teorías sobre la memoria cuántica y las transiciones de fase de una manera que antes era imposible. El estudio no pretende haber resuelto todos los misterios del magnetismo cuántico, pero proporciona una imagen clara y experimentalmente verificada de cómo la memoria puede emerger de la danza caótica de las transiciones cuánticas y el movimiento de las paredes de dominio.

Las implicaciones de estos hallazgos se extienden más allá de las máquinas específicas utilizadas en el experimento. El modelo híbrido desarrollado por los investigadores, que mezcla cálculos cuánticos con descripciones clásicas de fronteras móviles, ofrece una nueva forma de simular materiales magnéticos complejos. Este enfoque podría ayudar a los científicos a diseñar mejores dispositivos de almacenamiento magnético o a comprender el comportamiento de materiales exóticos que no encajan en las categorías estándar. Más importante aún, destaca que las computadoras cuánticas no son solo calculadoras más rápidas; son laboratorios únicos donde las leyes fundamentales de la física pueden ser probadas y manipuladas. La observación de la histéresis en un sistema cuántico unidimensional sirve como un recordatorio de que la naturaleza a menudo guarda sorpresas que desafían nuestras suposiciones más básicas, y que la frontera entre los mundos cuántico y clásico es mucho más porosa de lo que se pensaba anteriormente.

Los investigadores concluyeron que la memoria observada en estos experimentos es un efecto cuántico genuino, que surge de la forma específica en que el sistema transiciona entre estados y se relaja. Descartaron la posibilidad de que los resultados se debieran simplemente al calor o al ruido clásico, ya que el comportamiento persistió bajo condiciones donde esos factores deberían haber sido insignificantes. En cambio, la memoria es un resultado directo de la incapacidad del sistema para adaptarse instantáneamente al cambio del campo magnético, un desfase creado por el tiempo finito que tardan en ocurrir las transiciones cuánticas y en reorganizarse los dominios magnéticos resultantes. Este trabajo proporciona un ejemplo concreto de cómo la mecánica cuántica puede dar lugar a comportamientos colectivos que imitan, y en algunos casos superan, las capacidades de los materiales clásicos. Sugiere que, al comprender y aprovechar estos efectos de memoria cuántica, podríamos desarrollar nuevos tipos de tecnologías de computación y detección que operen sobre principios que apenas estamos empezando a comprender.