Primer motor cuántico superconductivo convierte calor en trabajo útil

Investigadores de la Universidad Aalto han desarrollado el primer motor térmico cuántico cíclico integrado en un circuito superconductivo. Este dispositivo utiliza un qubit, la unidad básica de información cuántica, como sustancia de trabajo que se somete repetidamente a procesos de calentamiento, enfriamiento y conversión de energía.

El estudio, dirigido por el profesor de la Academia Mikko Möttönen, fue publicado en la revista Nature Communications. La investigación traslada un concepto tecnológico conocido a un ámbito poco explorado, ya que mientras los motores térmicos convencionales funcionan moviendo energía entre ambientes calientes y fríos a escala macroscópica, el motor de Aalto opera a escala microscópica donde la mecánica cuántica regula el comportamiento energético.

Funcionamiento del motor cuántico con un qubit

El motor se basa en un qubit transmon ajustable por flujo magnético, conectado a un resonador y a un refrigerador cuántico de circuito. Los transmons son componentes comunes en computadoras cuánticas superconductoras, capaces de almacenar y procesar información cuántica mediante señales de microondas.

El refrigerador cuántico cumple dos funciones opuestas: en lugar de utilizar depósitos separados para calor y frío, el dispositivo puede alternar entre calentar o enfriar el qubit. Modificando el nivel energético del qubit en momentos precisos, se completan las cuatro etapas del ciclo cuántico de Otto.

Este ciclo, conocido por su uso en motores de gasolina, en este caso no comprime gas, sino que involucra un qubit que intercambia cantidades extremadamente pequeñas de energía dentro de un circuito criogénico.

Medición de calor, trabajo y eficiencia

El equipo inició el experimento con el qubit en un estado térmico y ejecutó hasta tres ciclos consecutivos del motor. Mediante mediciones individuales, pudieron seguir los cambios en el estado del qubit y calcular el calor absorbido, el trabajo producido y la eficiencia del motor.

“Nuestro refrigerador de circuito cuántico puede ajustarse para calentar o enfriar el qubit bajo demanda. Con pulsos de control temporizados, impulsamos el motor en un ciclo de Otto y monitorizamos el estado del qubit durante su funcionamiento”, explicó Tuomas Uusnäkki, primer autor del estudio.

Los resultados confirmaron que el motor generó trabajo positivo en lugar de simplemente redistribuir calor en el circuito. La potencia y eficiencia observadas coincidieron con las simulaciones realizadas, evidenciando que el dispositivo actuó como un motor térmico cíclico genuino.

Importancia de los circuitos superconductores

Anteriormente, motores térmicos cuánticos se habían demostrado con sistemas como iones atrapados, gases atómicos, espines nucleares y defectos en diamantes. Sin embargo, los circuitos superconductores son especialmente relevantes porque constituyen una de las principales plataformas para computación, comunicación y detección cuánticas.

Hasta ahora, ningún experimento había completado un motor térmico cuántico cíclico con esta tecnología. Aunque la cantidad de trabajo generado es extremadamente pequeña, el experimento demuestra que el calor puede controlarse y convertirse deliberadamente dentro del mismo tipo de circuitos usados para construir procesadores cuánticos.

Potencial para computadoras cuánticas más grandes

Esta capacidad podría ser valiosa a medida que las computadoras cuánticas aumenten su tamaño. Actualmente, las máquinas superconductoras requieren numerosos cables de microondas que conectan la electrónica a temperatura ambiente con los procesadores mantenidos a temperaturas cercanas al cero absoluto. Cada cable implica costos, ocupa espacio y puede introducir calor o ruido no deseados.

Los investigadores trabajan ahora en una versión completamente autónoma del motor. Una posible aplicación sería leer el estado de un qubit sin enviar señales de microondas desde el procesador frío a temperatura ambiente, lo que reduciría la cantidad de cableado externo necesario.

“La Estrategia de Tecnología Cuántica de Finlandia prevé una computadora cuántica con mil qubits lógicos para 2035, lo que probablemente significa cientos de miles de qubits físicos. Lograrlo con la tecnología actual requeriría millones de cables de microondas, cada uno con un costo de miles de euros y que además introducen ruido en el sistema. Usar dispositivos autónomos eliminaría en gran medida esa necesidad”, señaló Möttönen.

El trabajo contó con el apoyo de OtaNano, la infraestructura nacional finlandesa para tecnologías nano, micro y cuánticas, y fue financiado por el Consejo de Investigación de Finlandia y la Fundación Cultural Finlandesa.