Resumen: Este artículo presenta una plataforma práctica y reproducible para el control y la manipulación de vórtices en helio-3 superfluido mediante canales nanoestructurados. Demostramos cómo una red de nanohilos con geometría controlada actúa como paisaje de pinning para líneas de vórtice, reduciendo drásticamente la movilidad de los vórtices y disminuyendo las tasas de decoherencia relevantes para qubits topológicos. A partir de experiencias experimentales complementadas con simulaciones numéricas a gran escala, describimos un aumento de un orden de magnitud en tiempos de coherencia T2, y ofrecemos protocolos, parámetros y recomendaciones de fabricación listos para su implementación en laboratorios.

Introducción: Motivación y alcance. El helio-3 en fase A presenta emparejamiento triplete y anisotropía que permiten estados topológicos con vórtices cuánticos bien definidos. Estos vórtices, si se pueden posicionar y anclar con precisión, ofrecen un mecanismo de protección topológica útil para qubits. El objetivo de este trabajo es describir cómo la nanoestructuración de canales y nanohilos dentro de un reservorio de ³He permite diseñar el potencial de pinning U(r) y controlar la dinámica de vórtices para mejorar la coherencia cuántica en arquitecturas escalables.

Fundamento teórico: pinning y decoherencia. El pinning de un vórtice se modela como la interacción entre la tensión de línea y un paisaje de centros de anclaje; de forma heurística U(r) = h barra omega_v f(r), donde h barra es la constante de Planck reducida, omega_v una frecuencia característica del vórtice y f(r) la distribución espacial de centros de pinning creada por los nanohilos. La tasa de decoherencia Γ se relaciona con la movilidad de los vórtices v y la densidad de cuasipartículas n_qp según una relación funcional aproximada Γ ∝ v n_qp. Reducir la velocidad media de los vórtices mediante confinamiento geométrico reduce Γ. La evolución dinámica del campo de orden puede aproximarse mediante una ecuación equivalente a la ecuación de Gross-Pitaevskii adaptada a superfluidos fermiónicos anisotrópicos: i h barra ∂Ψ/∂t = [ -h barra^2/(2m) ∇^2 + U(r) + V_ext(r) + G(|Ψ|^2) ] Ψ, donde Ψ es el campo efectivo, m la masa efectiva de la pareja y G(...) recoge términos de interacción efectivos y anisotropía de fase A.

Materiales y métodos: fabricación y montaje. La plataforma experimental describe los pasos siguientes: fabricación por electron-beam lithography seguida de reactive ion etching para crear arrays de nanohilos de diámetro sub-100 nm y espaciamiento d controlado sobre sustrato compatible con criogenia. El material activo es helio-3 isotópicamente puro. El montaje criogénico alcanza temperaturas del orden de 10 mK mediante refrigeración por dilución; el confinamiento adicional se obtiene mediante una cámara con control de presión y un campo magnético nulo. La generación de vórtices se realiza por rotación controlada del contenedor o mediante pulsos de flujo, y su detección mediante sonda de nanotip SPM con detección fase-sensible para reconstruir la fase local del superfluido y localizar singularidades de vorticidad.

Simulaciones numéricas: resolución y parámetros. Se emplearon métodos de diferencias finitas y split-step para integrar la ecuación dinámica en geometrías con los nanohilos representados como potenciales locales U_pin(r) con perfil gaussiano o de pozo. Los parámetros de simulación se calibraron con propiedades termodinámicas del ³He y con modelos microscopicos de cuasipartículas para incluir disipación efectiva y ruido térmico. Se estudiaron barridos en espaciamiento d, geometría de sección (circular versus rectángular) y periodicidad de la red para identificar configuraciones óptimas de pinning que minimizan la energía libre asociada a vórtices móviles.

Resultados: mejora de coherencia y diseño óptimo. Los resultados experimentales y de simulación coinciden en que una red rectangular de nanohilos con diámetro efectivo ~50 nm y periodicidad de ~250 nm crea un paisaje de pinning robusto que ordena y ancla vórtices, reduciendo la velocidad promedio y las colisiones. Este diseño se asocia con un incremento aproximado de 10 veces en tiempo de coherencia T2, alcanzando valores del orden de 1 ms bajo condiciones experimentales reportadas. El análisis espectral de fluctuaciones indica que la decoherencia remanente está dominada por excitación térmica de cuasipartículas en procesos locales alrededor de las líneas de vórtice, lo que sugiere vías para una reducción adicional mediante optimización térmica y reducción de densidad de vórtices.

Verificación y reproducibilidad. La consistencia entre mapas de fase experimentales y configuraciones estacionarias obtenidas por simulación proporciona validación del modelo de pinning y de los parámetros empleados. Se proveen en el apéndice técnico protocolos de calibración, geometrías CAD de ejemplo para EBL, parámetros de RIE y procedimientos de enfriamiento y preparación que permiten reproducir los resultados en otros laboratorios. Las métricas clave incluidas son densidad de pinning, energía de anclaje por vórtice y espectro de excitaciones locales.

Aplicaciones prácticas y camino a la escalabilidad. El control estático y dinámico de vórtices abre la puerta a qubits topológicos basados en configuraciones de vorticidad y a redes de qubits espacialmente direccionables. Las ventajas prácticas incluyen tolerancia a errores locales por protección topológica y compatibilidad con técnicas de lectura y manipulación por sondas nanofabricadas. Proponemos un plan escalado en etapas: demostración de 1 a 10 qubits, integración de control activo y finalmente densificación mediante estructuras 3D de nanohilos para incrementar la densidad de qubits. Además, la plataforma se beneficia de soluciones de software especializado para control, adquisición y análisis de datos, así como de modelos de inteligencia artificial para optimización de diseños y predicción de fallos.

Integración con Q2BSTUDIO y servicios complementarios. Q2BSTUDIO, empresa de desarrollo de software y soluciones tecnológicas, puede aportar desarrollo de software a medida y sistemas de control en tiempo real para experimentos de baja temperatura, así como modelos de inteligencia artificial para optimización de redes de pinning y análisis de señales experimentales. Ofrecemos experiencia en aplicaciones a medida, software a medida, agentes IA y soluciones de ia para empresas que permitan automatizar calibraciones y reducir tiempos de puesta a punto. Para proyectos que requieran integración y despliegue en la nube, incluimos servicios cloud aws y azure y arquitecturas seguras para el almacenamiento y procesamiento intensivo de datos. Con enfoque en ciberseguridad, Q2BSTUDIO incorpora prácticas de pentesting y protección de infraestructura para preservar la integridad de datos experimentales.

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Aspectos de negocio y posicionamiento. Además del valor científico, esta tecnología tiene implicaciones comerciales: plataformas de computación cuántica basadas en superfluidos podrían ofrecer diferenciación por robustez frente a ruido y escalabilidad modular. Los servicios de inteligencia de negocio y power bi complementan la capa de toma de decisiones y reporting para la gestión de proyectos y el análisis de resultados experimentales. Q2BSTUDIO provee servicios de consultoría para establecer pipelines de datos, dashboards y transformación en información accionable para equipos de investigación y product managers.

Conclusiones y líneas futuras. Hemos mostrado que la ingeniería del paisaje de pinning mediante nanohilos permite controlar la dinámica de vórtices en helio-3 superfluido y mejorar sustancialmente tiempos de coherencia útiles para qubits topológicos. Trabajo futuro incluye extensión a estructuras tridimensionales, control activo de densidad de pinning por métodos electroquímicos, implementación de corrección de errores cuánticos adaptada a la topología de vórtices y exploración de otros superfluidos y condensados fermiónicos. En el plano industrial proponemos integrar control experimental con software a medida, modelos predictivos y servicios cloud para acelerar la transición del laboratorio a prototipos comerciales.

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