Las computadoras cuánticas sólo funcionan cuando se mantienen extremadamente frías. El problema es que los sistemas de refrigeración actuales también generan ruido, que puede interferir con la frágil información cuántica que se supone deben proteger. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia han introducido un nuevo tipo de “refrigerador” cuántico mínimo que convierte este desafío en una ventaja. En lugar de combatir el ruido, el dispositivo depende parcialmente de él para funcionar. El resultado es un control muy preciso sobre el flujo de calor y energía, lo que podría ayudar a hacer posible la tecnología cuántica a gran escala.
Se espera ampliamente que la tecnología cuántica remodele áreas importantes de la sociedad. Las aplicaciones potenciales incluyen el descubrimiento de fármacos, la inteligencia artificial, la optimización logística y las comunicaciones seguras. A pesar de esta promesa, todavía existen serios obstáculos tecnológicos que impiden su uso en el mundo real. Uno de los desafíos más difíciles es mantener y controlar los delicados estados cuánticos que hacen que estos sistemas funcionen.
Por qué las computadoras cuánticas deben estar cerca del cero absoluto
Las computadoras cuánticas construidas con circuitos superconductores deben enfriarse a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (aproximadamente -273 °C). A esta temperatura, los materiales se vuelven superconductores, lo que permite que los electrones se muevan sin resistencia. Sólo bajo estas condiciones extremas se pueden formar estados cuánticos estables dentro de la unidad fundamental qubit de información cuántica.
Estos estados cuánticos son muy sensibles. Pequeños cambios de temperatura, interferencias electromagnéticas o ruido de fondo pueden borrar rápidamente los datos almacenados. Esta sensibilidad hace que los sistemas cuánticos sean difíciles de manipular y aún más difíciles de expandir.
A medida que los investigadores intentan ampliar las computadoras cuánticas para resolver problemas prácticos, controlar el calor y el ruido se vuelve difícil. Los sistemas más grandes y complejos crean más oportunidades para que fuerzas no deseadas se propaguen y alteren los frágiles estados cuánticos.
“Muchos dispositivos cuánticos están limitados en última instancia por la forma en que se transporta y disipa la energía. Comprender estas vías y poder medirlas nos permite diseñar dispositivos cuánticos donde el flujo de calor es predecible, controlable e incluso útil”, dijo Simon Sandelin, estudiante de doctorado en tecnología cuántica en la Universidad Tecnológica de Chalmers y autor principal del estudio.
Usar el ruido como herramienta de enfriamiento
En un estudio publicado por el Dr. comunicación de la naturalezaEl equipo de Chalmers describe un tipo fundamentalmente diferente de refrigerador cuántico. En lugar de intentar eliminar el ruido, el sistema lo utiliza como fuerza impulsora detrás de la refrigeración.
“Los físicos han especulado durante mucho tiempo sobre un fenómeno llamado refrigeración browniana; la idea de que se pueden utilizar fluctuaciones térmicas aleatorias para crear un efecto de enfriamiento. Nuestro trabajo representa la realización más cercana de esta idea hasta la fecha”, dijo Simone Gasparinetti, profesora asociada de Chalmers y autora principal del estudio.
En el núcleo del refrigerador hay una molécula artificial superconductora desarrollada en el laboratorio de nanofabricación de Chalmers. Se comporta de manera muy parecida a las moléculas naturales, pero en lugar de átomos, está formado por pequeños circuitos eléctricos superconductores.
Las moléculas artificiales están conectadas a múltiples canales de microondas. Al agregar ruido de microondas cuidadosamente controlado en forma de fluctuaciones aleatorias de señales dentro de un rango de frecuencia estrecho, los investigadores pueden determinar cómo se mueven el calor y la energía a través del sistema con notable precisión.
“Los dos canales de microondas actúan como depósitos de calor y frío, pero la cuestión es que sólo se conectan eficazmente cuando inyectamos sonido controlado a través del tercer puerto. Este sonido inyectado permite e impulsa el transporte de calor entre los depósitos a través de moléculas artificiales. Pudimos medir flujos de calor extremadamente pequeños, del orden de 8-1-8. Si se usara un flujo de calor tan pequeño para calentar una gota de agua, la temperatura del universo sería de un grado. Tomará mucho tiempo ver que los grados Celsius aumenten”, explica Sandelin.
Nuevos caminos hacia tecnologías cuánticas escalables
Al ajustar cuidadosamente la temperatura del depósito y rastrear pequeños flujos de calor, el refrigerador cuántico puede funcionar de múltiples maneras. Dependiendo de las condiciones, puede actuar como frigorífico, actuar como motor térmico o amplificar el transporte de calor.
Este nivel de control es particularmente importante en sistemas cuánticos más grandes, donde el calor se genera localmente durante las operaciones y mediciones de los qubits. Conducir calor directamente dentro del circuito cuántico puede mejorar la estabilidad y el rendimiento de una manera que los sistemas de refrigeración convencionales no pueden.
“Consideramos que esto es un paso importante hacia el control del calor directamente dentro de los circuitos cuánticos, a una escala que los sistemas de refrigeración convencionales no pueden alcanzar. Ser capaz de eliminar o redirigir el calor a esta pequeña escala abre la puerta a tecnologías cuánticas más fiables y potentes”, afirmó Amir Ali, investigador de tecnología cuántica en Chalmers y cocapítulo del estudio.
Más información
La investigación sobre la refrigeración cuántica impulsada por el sonido en un circuito superconductor se publicó en la revista científica Nature Communications. Los autores son Simon Sandelin, Mohammad Ali Amir, Byom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno y Simone Gasparinetti del Departamento de Microtecnología y Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
El refrigerador cuántico fue desarrollado en el laboratorio de nanofabricación MyFab de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
La financiación de la investigación provino del Consejo Sueco de Investigación, la Fundación Knut y Alice Wallenberg para Tecnología Cuántica (WACQT), el Consejo Europeo de Investigación y la Unión Europea.
