Las computadoras cuánticas requieren una refrigeración extrema para realizar cálculos fiables. Uno de los desafíos que impide que las computadoras cuánticas ingresen a la sociedad es la dificultad de congelar qubits a temperaturas cercanas a cero. Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) y la Universidad de Maryland (EE. UU.) han desarrollado un nuevo tipo de refrigerador que puede enfriar de forma autónoma qubits superconductores para registrar temperaturas bajas y allanar el camino para una computación cuántica más confiable.
Las computadoras cuánticas tienen el potencial de revolucionar las tecnologías básicas en diversos sectores de la sociedad, con aplicaciones en medicina, energía, encriptación, inteligencia artificial y logística. Mientras que los componentes básicos de las computadoras clásicas (los bits) pueden tomar el valor de 0 o 1, los componentes más comunes de las computadoras cuánticas (los qubits) pueden tener el valor de 0 y 1 simultáneamente. Este fenómeno se llama superposición y es una de las razones por las que una computadora cuántica puede realizar computación en paralelo, lo que resulta en una enorme capacidad computacional. Sin embargo, el tiempo de cálculo de una computadora cuántica todavía es bastante limitado, ya que dedica mucho tiempo a corregir errores.
“Los qubits, los componentes básicos de una computadora cuántica, son extremadamente sensibles a su entorno. Incluso la interferencia electromagnética más débil en la computadora puede invertir aleatoriamente el valor del qubit, causando errores y, posteriormente, la computación cuántica crea perturbaciones”, dice Aamir Ali, investigador experto en tecnología cuántica de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
El registro muestra una temperatura baja.
Hoy en día, muchas computadoras cuánticas se basan en circuitos eléctricos superconductores que tienen resistencia cero y, por lo tanto, almacenan muy bien la información. Para que los qubits funcionen sin errores y durante largos períodos de tiempo en un sistema de este tipo, deben enfriarse a una temperatura cercana al cero absoluto, que es menos 273,15 grados Celsius o cero Kelvin, la temperatura es una unidad científica. . El frío extremo mantiene los qubits en su estado de menor energía, el estado fundamental, con un valor igual a 0, condición para iniciar el cálculo.
Los sistemas de refrigeración utilizados hoy en día, los llamados refrigeradores de dilución, elevan los qubits por encima de cero a unos 50 mikelvins. Cuanto más se acerca un sistema al cero absoluto, más difícil es enfriarse más. De hecho, según las leyes de la termodinámica, ningún proceso finito puede enfriar ningún sistema al cero absoluto. Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers y la Universidad de Maryland han creado un nuevo tipo de refrigerador cuántico que podría complementar un refrigerador retráctil de baja temperatura y enfriar de forma autónoma qubits superconductores. Un refrigerador cuántico se describe en un artículo de revista. Física de la Naturaleza.
“El refrigerador cuántico se basa en circuitos superconductores y funciona con el calor del medio ambiente. Puede enfriar el qubit objetivo hasta 22 mikelvin sin ningún control externo. Esto allanaría el camino para una computación cuántica más confiable y sin errores. requiere una mayor carga de hardware, afirma el autor principal del estudio, Amir Ali, y continúa:
“Con este método pudimos aumentar la probabilidad de que el qubit se encuentre en el estado fundamental antes del cálculo al 99,97 por ciento, lo que es significativamente mejor que los resultados obtenidos con técnicas anteriores, es decir, entre el 99,8 y el 99,92 por ciento”. “Es una pequeña diferencia, pero al realizar múltiples cálculos, da un gran impulso al rendimiento de las computadoras cuánticas”.
Impulsado naturalmente por el medio ambiente.
El refrigerador utiliza interacciones entre diferentes qubits, específicamente entre el qubit objetivo que se va a enfriar y los dos bits cuánticos utilizados para enfriar. Junto a uno de los qubits, se prepara un ambiente climatizado que actúa como baño termal caliente. El baño termal caliente energiza uno de los qubits superconductores del refrigerador cuántico y alimenta el refrigerador cuántico.
“La energía del entorno térmico, a través de uno de los dos qubits del refrigerador cuántico, bombea calor del qubit objetivo al otro qubit del refrigerador cuántico, que se enfría. Este qubit frío se termaliza en el entorno frío, en el que el qubit objetivo se calienta y finalmente se desecha”, dijo Nicole Younger Halpern, física del NIST y profesora asistente de física e IPST en la Universidad de Maryland, EE.UU.
El sistema es autónomo porque una vez puesto en marcha funciona sin control externo y se alimenta del calor que se genera naturalmente por la diferencia de temperatura entre los dos baños termales.
“Nuestro trabajo es posiblemente la primera demostración de una máquina térmica cuántica autónoma que realiza una tarea prácticamente útil. Originalmente pensábamos que este experimento fuera una prueba de concepto, por lo que nos sorprendió gratamente cuando descubrimos que el rendimiento de la máquina excedía todos los protocolos de reinicio existentes en enfriar los qubits hasta alcanzar temperaturas bajas récord”, afirma Simon Gasparnetti, profesor asociado de la Universidad Tecnológica de Chalmers y autor principal del estudio.
