Un innovador refrigerador cuántico utiliza ruido para enfriar computadoras cuánticas

Las computadoras cuánticas requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar, pero los sistemas de enfriamiento actuales generan ruido que puede dañar la información cuántica. Un equipo de investigadores de Chalmers University of Technology en Suecia presentó un innovador refrigerador cuántico que utiliza el ruido como herramienta para enfriar, en lugar de combatirlo. Este avance permite un control preciso sobre el flujo de calor y energía, lo que podría facilitar la escalabilidad de la tecnología cuántica.

La tecnología cuántica se considera fundamental para transformar áreas clave de la sociedad, incluyendo el descubrimiento de fármacos, la inteligencia artificial y las comunicaciones seguras. Sin embargo, uno de los principales obstáculos para su uso práctico es el mantenimiento y control de los delicados estados cuánticos que permiten el funcionamiento de estos sistemas.

La necesidad de temperaturas cercanas al cero absoluto

Las computadoras cuánticas que utilizan circuitos superconductores deben ser enfriadas a temperaturas cercanas al cero absoluto (aproximadamente -273 °C). A estas temperaturas, los materiales se vuelven superconductores, permitiendo que los electrones se desplacen sin resistencia. Solo bajo estas condiciones extremas se pueden formar estados cuánticos estables dentro de los qubits, que son las unidades básicas de información cuántica.

Estos estados cuánticos son extremadamente sensibles; pequeños cambios en la temperatura o interferencias electromagnéticas pueden borrar rápidamente la información almacenada. Esta sensibilidad complica la operación de los sistemas cuánticos y su expansión.

A medida que los investigadores intentan escalar las computadoras cuánticas para resolver problemas prácticos, el control del calor y el ruido se vuelve cada vez más difícil. Los sistemas más grandes y complejos generan más oportunidades para que la energía no deseada se propague y afecte los frágiles estados cuánticos.

"Muchos dispositivos cuánticos están limitados por cómo se transporta y disipa la energía. Comprender estas vías y poder medirlas nos permite diseñar dispositivos cuánticos en los que los flujos de calor sean predecibles, controlables e incluso útiles", afirmó Simon Sundelin, estudiante de doctorado en tecnología cuántica en Chalmers y autor principal del estudio.

Usando el ruido como herramienta de enfriamiento

En un estudio publicado en Nature Communications, el equipo de Chalmers describe un tipo de refrigerador cuántico que utiliza el ruido como fuerza impulsora detrás del enfriamiento. "Los físicos han especulado durante mucho tiempo sobre un fenómeno llamado refrigeración browniana; la idea de que las fluctuaciones térmicas aleatorias podrían aprovecharse para producir un efecto de enfriamiento. Nuestro trabajo representa la realización más cercana de este concepto hasta la fecha", comentó Simone Gasparinetti, profesora asociada en Chalmers y autora senior del estudio.

El refrigerador cuántico se basa en una molécula artificial superconductora creada en el laboratorio de nanofabricación de Chalmers. Esta molécula se comporta de manera similar a una molécula natural, pero está compuesta por pequeños circuitos eléctricos superconductores.

La molécula artificial se conecta a múltiples canales de microondas. Al inyectar ruido de microondas controlado en forma de fluctuaciones aleatorias dentro de un rango de frecuencia estrecho, los investigadores pueden guiar el movimiento del calor y la energía a través del sistema con una precisión notable.

"Los dos canales de microondas actúan como reservorios de calor y frío, pero el punto clave es que solo están conectados de manera efectiva cuando inyectamos ruido controlado a través de un tercer puerto. Este ruido inyectado habilita y dirige el transporte de calor entre los reservorios a través de la molécula artificial. Pudimos medir corrientes de calor extremadamente pequeñas, hasta potencias del orden de attowatts, o 10^-18 watt. Si tal flujo de calor se utilizara para calentar una gota de agua, tomaría la edad del universo para que su temperatura aumentara un grado Celsius", explicó Sundelin.

Nuevos caminos hacia la tecnología cuántica escalable

Al ajustar cuidadosamente las temperaturas de los reservorios y rastrear los flujos de calor minúsculos, el refrigerador cuántico puede funcionar de diversas maneras. Dependiendo de las condiciones, puede actuar como un refrigerador, un motor térmico o amplificar el transporte térmico.

Este nivel de control es especialmente importante en sistemas cuánticos más grandes, donde se produce calor localmente durante la operación y medición de los qubits. Gestionar ese calor directamente dentro de los circuitos cuánticos podría mejorar la estabilidad y el rendimiento de maneras que los sistemas de enfriamiento convencionales no pueden.

"Vemos esto como un paso importante hacia el control del calor directamente dentro de los circuitos cuánticos, a una escala que los sistemas de enfriamiento convencionales no pueden alcanzar. Poder eliminar o redirigir el calor a esta escala diminuta abre la puerta a tecnologías cuánticas más confiables y robustas", concluyó Aamir Ali, investigador en tecnología cuántica en Chalmers y coautor del estudio.

Más información

El estudio titulado "Quantum refrigeration powered by noise in a superconducting circuit" fue publicado en la revista científica Nature Communications. Los autores son Simon Sundelin, Mohammed Ali Aamir, Vyom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno y Simone Gasparinetti del Departamento de Microtecnología y Nanociencia de Chalmers University of Technology. El refrigerador cuántico fue fabricado en el Laboratorio de Nanofabricación, Myfab, en Chalmers. La investigación recibió financiamiento del Consejo Sueco de Investigación, la Fundación Knut y Alice Wallenberg a través del Centro Wallenberg para Tecnología Cuántica (WACQT), el Consejo Europeo de Investigación y la Unión Europea.