Refrigerador cuántico

Unos científicos han inventado un nuevo tipo de refrigerador cuyo funcionamiento se basa en el aprovechamiento de un fenómeno del ámbito de la mecánica cuántica.

Para que una computadora cuántica basada en circuitos superconductores funcione, debe enfriarse a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto (la temperatura más baja que permiten las leyes de la física y que es de 273,15 grados centígrados bajo cero). A estas temperaturas, el sistema se vuelve superconductor y los electrones pueden moverse libremente sin resistencia. Solo en estas condiciones pueden surgir los estados cuánticos deseados en las unidades de información fundamentales de una computadora cuántica, los bits cuánticos. Sin embargo, estos estados cuánticos son frágiles. Incluso la más mínima fluctuación de temperatura, una leve perturbación electromagnética o el mero “ruido” ambiental pueden destruir rápidamente cualquier información almacenada en el sistema.

Por desgracia, los sistemas de refrigeración actuales también generan “ruido” que amenaza a la frágil información cuántica que deben proteger.

Ahora, unos científicos han desarrollado un tipo completamente nuevo de refrigerador: uno cuántico y reducido a su mínima expresión, que está impulsado en parte por el propio “ruido” generado. Este refrigerador usa el “ruido” para enfriar, en vez de intentar eliminarlo; y permite un control muy preciso de los flujos de calor y energía. Gracias a todo ello, podría desempeñar un papel importante en la creación de computadoras cuánticas mucho mayores que las más grandes que hoy en día es factible construir.

Este singular refrigerador es obra de un equipo integrado, entre otros, por Simon Sundelin y Simone Gasparinetti, de la Universidad Chalmers de Tecnología en Gotemburgo, Suecia.

En el refrigerador cuántico, dos canales de microondas actúan como depósitos térmicos, uno caliente y el otro frío, resaltados con un brillo rojizo y azulado, respectivamente. Los depósitos están acoplados a una molécula artificial compuesta por dos bits cuánticos. El ruido de microondas controlado se inyecta a través de los puertos laterales para impulsar y regular el transporte de calor. (Imagen: Simon Sundelin)

En física, se especula desde hace mucho tiempo sobre un fenómeno llamado refrigeración browniana: la idea de que las fluctuaciones térmicas aleatorias podrían aprovecharse para producir un efecto de enfriamiento. El nuevo refrigerador representa la materialización más cercana de este concepto lograda hasta la fecha.

En el corazón del refrigerador se encuentra una molécula artificial superconductora, diseñada en el laboratorio de nanofabricación de la Universidad Chalmers. En muchos aspectos, se comporta como una molécula natural, pero en lugar de estar compuesta por átomos reales, posee diminutos circuitos eléctricos superconductores. Al acoplar esta molécula artificial a diferentes canales de microondas e introducir ruido de microondas controlado en forma de fluctuaciones aleatorias de señal en una estrecha banda de frecuencia, los investigadores pueden dirigir y regular con precisión el flujo de calor y energía a través del sistema.

Los dos canales de microondas sirven como depósitos térmicos (uno caliente y el otro frío), pero la clave es que solo se conectan eficazmente cuando los investigadores inyectan ruido controlado a través de un tercer puerto. Este ruido inyectado impulsa el transporte de calor entre los depósitos a través de la molécula artificial. Sundelin y sus colegas lograron medir corrientes de calor extremadamente pequeñas, de potencias del orden de attovatios. Si se utilizara un flujo de calor tan pequeño para calentar una gota de agua, se necesitaría todo el tiempo transcurrido desde la creación del universo para que la temperatura de dicha gota aumentara 1 grado centígrado.

Sundelin y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo refrigerador en la revista académica Nature Communications, bajo el título “Quantum refrigeration powered by noise in a superconducting circuit”. (Fuente: NCYT de Amazings)