Los ordenadores cuánticos necesitan frío extremo, tanto que funcionan a unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. Mantener esas máquinas en ese “invierno eterno” cuesta mucha energía y dinero, algo que a la larga también pesa en la factura eléctrica de cualquier centro de datos y en su huella de carbono. Ahora, un equipo de Chalmers University of Technology ha presentado una nevera cuántica que hace algo que suena casi a truco de magia científica. Usa el mismo ruido que antes destruía los datos para enfriar un circuito superconductor. En otras palabras, convierten al enemigo en aliado. Y eso, para la futura computación cuántica, no es poca cosa.
Del ruido molesto a un recurso energético
En los dispositivos cuánticos, el ruido suele ser sinónimo de desastre. Cualquier pequeña vibración térmica o impulso electromagnético puede romper las delicadas superposiciones de los cúbits y borrar la información en un instante. Por eso se invierten tantos recursos en blindar, filtrar y silenciar esos sistemas.
El nuevo trabajo da un giro interesante. Los autores recuerdan que “aunque el ruido de desfasaje suele obstaculizar los dispositivos cuánticos, puede convertirse en un recurso para máquinas térmicas cuánticas”. En lugar de eliminarlo, lo dirigen y lo utilizan para mover calor de un punto a otro dentro del chip. Esto significa usar ruido controlado para impulsar una pequeña máquina térmica en estado estacionario, algo parecido a una mini nevera integrada en el propio circuito.
Una “molécula” artificial que actúa como nevera
El dispositivo se basa en una molécula artificial superconductor formada por dos cúbits de tipo transmon acoplados entre sí. El conjunto se comporta como un sistema de tres niveles. Hay un estado fundamental y dos estados excitados colectivos, uno simétrico y otro antisimétrico. Cada uno se conecta de manera selectiva a una guía de ondas de microondas que hace de baño térmico. Uno se prepara como “baño caliente”, el otro como “baño frío”, mediante campos de microondas con ruido térmico sintético.
Además, existe un tercer canal por el que se inyecta ruido de desfasaje, acoplado longitudinalmente a uno de los cúbits. Ese canal no aporta calor de forma directa, sino que provoca transiciones incoherentes entre los estados simétrico y antisimétrico. El propio artículo lo resume así. “El ruido de desfasaje actúa como un baño de temperatura infinita para el subespacio formado por los estados excitados, impulsándolo hacia una mezcla equilibrada”.
Cuando ocurre esto, el sistema se ve obligado a reajustarse continuamente con los dos baños reales para recuperar el equilibrio. En ciertas condiciones, ese reajuste extrae energía neta del baño frío y la envía al caliente. Es la definición de un refrigerador, solo que aquí todo sucede a escala de fotones de microondas y cúbits superconductores.
Medir calor donde casi no queda calor
La hazaña técnica no está solo en diseñar la máquina, sino en demostrar que realmente enfría. Las corrientes de calor en juego son diminutas, del orden de los attovatios, una potencia equivalente a diez elevado a menos dieciocho vatios. Detectar cambios tan pequeños obliga a exprimir al máximo la electrónica de medida y la estadística.
El equipo combina medidas espectrales y temporales del campo de microondas para saber si el circuito está emitiendo o absorbiendo fotones en cada canal. Con ello reconstruyen los flujos de calor y comprueban que, en un rango bien definido de parámetros, el calor fluye “a contracorriente”, desde el baño más frío al más caliente. Además, el coeficiente de rendimiento de la nevera se acerca al límite teórico de Carnot para las temperaturas usadas en el experimento, lo que indica que el proceso es eficiente dentro de su marco.
Un detalle interesante es que la misma estructura puede funcionar también como motor térmico o como “acelerador” de calor, según cómo se ajusten las temperaturas y la intensidad del ruido. Un tipo de navaja suiza de la termodinámica cuántica en formato chip.
Por qué esto importa para energía y sostenibilidad
Puede que todo esto suene muy lejano al día a día, pero tiene un lado muy terrenal. Los grandes refrigeradores de dilución que enfrían los cúbits consumen varios kilovatios de electricidad de manera continua en un laboratorio estándar, y las instalaciones a gran escala pueden necesitar aún más potencia.
Si en el futuro proliferan los procesadores cuánticos, cada criostato será una carga añadida para la red eléctrica. Y eso sin contar el calor residual que hay que evacuar después en el edificio. Cualquier tecnología que permita mover calor dentro del chip de forma más inteligente ayuda en dos frentes. Reduce los puntos calientes locales que degradan el rendimiento del procesador y abre la puerta a arquitecturas de refrigeración más eficientes, algo clave para que la computación cuántica no se convierta en un nuevo sumidero energético.
En el fondo, este trabajo es una simulación cuántica analógica, un banco de pruebas muy controlado. No veremos todavía “neveras de ruido” instaladas en los ordenadores cuánticos comerciales, pero marca el camino hacia máquinas térmicas integradas que aprovechan fenómenos cuánticos para gestionar la energía donde más falta hace, a escala de nanómetros.
Y ahora, qué
El siguiente paso será escalar estos conceptos y probarlos en dispositivos más complejos, con más cúbits y canales de calor. También queda por explorar cómo se comportan estas máquinas cuando el ruido deja de ser tan perfectamente controlado como en el experimento y se parece más al caos real que reina en un criostato lleno de cables.
Mientras tanto, la idea de que el ruido pueda ayudar a enfriar en vez de destruir información abre una ventana curiosa. Nos recuerda que la frontera entre “problema” y “recurso” muchas veces depende de cuánto entendemos el sistema.
El estudio completo se ha publicado en la revista Nature Communications.
