Un equipo de investigadores de la Universidad Aalto, en Finlandia, ha desarrollado el primer motor térmico cuántico cíclico basado en un circuito superconductor, un dispositivo microscópico capaz de transformar calor en trabajo útil a escala cuántica. El experimento representa una prueba de concepto con potencial para contribuir al desarrollo de ordenadores cuánticos de mayor tamaño.
El trabajo, dirigido por el profesor Mikko Möttönen, conecta dos ámbitos fundamentales de la física: la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de la materia a escalas microscópicas, y la termodinámica, cuyos principios explican el funcionamiento de motores y otras máquinas térmicas convencionales.
Hasta ahora, los motores térmicos cuánticos se habían demostrado mediante iones atrapados, espines nucleares, defectos en diamantes y átomos fríos, pero no utilizando los circuitos superconductores presentes en numerosos sistemas modernos de computación cuántica.
Un cúbit transmon como núcleo del motor térmico cuántico
El componente central del dispositivo es un cúbit transmon conectado a un resonador y a un refrigerador de circuito cuántico. Los transmon constituyen uno de los tipos de cúbits superconductores utilizados como elementos básicos en diferentes arquitecturas de computación cuántica.
“In our experiment, we built a nanofabricated heat engine using superconducting circuits and operated it in a cryostat near absolute zero. Its main component is a transmon qubit, one of the basic building blocks of modern quantum technologies,” explica Tuomas Uusnäkki, primer autor del estudio.
El experimento se realizó dentro de un criostato, donde el circuito puede mantenerse a temperaturas extremadamente próximas al cero absoluto. Estas condiciones son necesarias para preservar y controlar las propiedades cuánticas del sistema.
Un ciclo Otto llevado a escala cuántica
Dentro del circuito, los investigadores consiguieron reproducir un ciclo Otto, el mismo proceso termodinámico básico utilizado en los motores de gasolina.
La principal diferencia está en la forma de gestionar la temperatura. En una máquina térmica convencional suelen existir fuentes separadas de calor y frío. En este experimento, un único dispositivo puede desempeñar ambas funciones.
“Our quantum circuit refrigerator can be adjusted to heat and cool the qubit as needed. Using carefully timed control pulses, we ran the engine on an Otto cycle,” señala Uusnäkki.
Las mediciones confirmaron que el calor que atraviesa repetidamente el cúbit puede producir trabajo positivo, un resultado clave para demostrar experimentalmente el funcionamiento del motor.
“This is the first experimental demonstration of a cyclic quantum heat engine in superconducting circuits. Using a single, controllable quantum refrigerator as the engine’s hot and cold environment makes it simpler and more versatile,” explica el investigador.
Los científicos advierten, sin embargo, de que se trata de una prueba de concepto realizada con un único cúbit, y no de una tecnología preparada todavía para integrarse directamente en ordenadores cuánticos comerciales.
Menos cables y ruido para ampliar los ordenadores cuánticos
Uno de los objetivos del equipo es desarrollar un motor autónomo que permita facilitar la lectura de los cúbits sin transportar pulsos de microondas desde las temperaturas extremadamente bajas del criostato hasta los equipos electrónicos situados a temperatura ambiente.
El problema del cableado se vuelve especialmente importante conforme aumenta el número de cúbits de un ordenador cuántico.
“The Finnish quantum technology strategy envisions a quantum computer with a thousand logical qubits by 2035, which likely means hundreds of thousands of physical qubits. Achieving this with current technology requires millions of microwave cables, each costing thousands of euros,” apunta Möttönen.
La diferencia entre cúbits físicos y lógicos es fundamental para comprender este desafío. Los primeros son los componentes individuales del procesador, mientras que un cúbit lógico puede necesitar numerosos cúbits físicos para implementar mecanismos de corrección de errores y aumentar la fiabilidad de los cálculos.
El cableado se convierte en un desafío para la escalabilidad
Los mayores procesadores superconductores anunciados hasta ahora se sitúan en torno al millar de cúbits físicos, aproximadamente dos órdenes de magnitud por debajo de la escala contemplada en esa hoja de ruta.
Extender las arquitecturas actuales hasta cientos de miles de cúbits podría exigir una enorme cantidad de conexiones de microondas entre el entorno criogénico y los sistemas electrónicos externos.
Eliminar o reducir parte de este cableado permitiría abordar dos problemas simultáneamente. Por una parte, podría disminuir el coste y la complejidad de los futuros ordenadores cuánticos. Por otra, reduciría algunas fuentes de ruido que pueden afectar a sistemas cuánticos extremadamente sensibles a las perturbaciones externas.
El motor térmico desarrollado por los investigadores finlandeses continúa siendo experimental, pero demuestra que un principio utilizado durante décadas en los motores convencionales puede trasladarse a la escala cuántica. Su evolución hacia dispositivos más autónomos podría ayudar a simplificar la infraestructura necesaria para construir ordenadores cuánticos más grandes, estables y escalables.
Gabriel Lozano es colaborador de Teleorihuela.com y se dedica a informar sobre temas de actualidad que impactan a los lectores. Su trabajo abarca noticias, política, economía, tecnología, deportes, entretenimiento y estilo de vida. Se enfoca en ofrecer información clara, equilibrada y fácil de comprender, con atención a los acontecimientos más relevantes del momento. Su objetivo es acercar a la audiencia contenidos útiles, actualizados y de interés, manteniendo un enfoque informativo y cercano.
