Gestión del calor para crear ordenadores cuánticos eficientes
La termodinámica surgió en el siglo XIX, cuando se descubrió cómo construir motores a vapor, y es una rama de la física que trata sobre la energía y el trabajo en un sistema. En este campo se han producido varios éxitos de la máxima importancia que han transformado, literalmente, nuestras vidas, con aplicaciones que van desde los frigoríficos y los aparatos de aire acondicionado hasta los aviones a reacción. Hasta hace poco tiempo, la termodinámica se había aplicado principalmente a grandes sistemas descritos por las leyes de la física clásica. Sin embargo, a medida que los ordenadores modernos se han ido miniaturizando hasta la escala nanométrica y el régimen cuántico, los científicos han cambiado de forma radical su visión de que la termodinámica solo tiene que ver con sistemas grandes y han empezado a darse cuenta de que puede ser importante en cualquier escala. La termodinámica cuántica es un campo emergente que estudia la relación entre la termodinámica y la mecánica cuántica. En este contexto, es necesario revisar las interpretaciones establecidas hasta ahora sobre el calor y el trabajo. El calor y el trabajo en el nivel cuántico están sujetos a fluctuaciones cuánticas, que se describen mediante relaciones matemáticas llamadas relaciones de fluctuación. En este contexto, el proyecto NEQUFLUX (Nonequilibrium quantum fluctuations in superconducting devices), financiado por la Unión Europea, realizó experimentos viables para probar y aplicar las relaciones de fluctuación para desarrollar nanodispositivos cuánticos eficientes. Al igual que sucede en un motor a vapor, los nanodispositivos se pueden describir como motores de calor cuánticos, que obtienen calor de una fuente caliente (una resistencia), gastan parte de él para realizar un trabajo (en forma de fotones) y desechan el resto hacia una fuente fría (otra resistencia). Este motor también puede funcionar como un frigorífico cuántico, lo cual haría posible, por ejemplo, enfriar partes de un microchip. Operaciones especiales, llamadas puertas cuánticas, gestionan el transporte de calor en el chip. El experimento realizado permitió medir el calor y el trabajo cuánticos y sus fluctuaciones. El dispositivo funcionaba a una temperatura muy baja y se basaba en circuitos superconductores. Otra parte del trabajo se dedicó a desarrollar un dispositivo con circuitos superconductores parecidos que utilizan la energía externa para transportar carga de un lugar de un hilo superconductor grabado sobre un chip hacia otro. En el superconductor, los electrones se vinculan en pares, llamados pares de Cooper, y el dispositivo permite manipular y transportar dichos pares, incluso en presencia de ruido térmico en los hilos. En conjunto, NEQUFLUX estudió métodos para aprovechar la tecnología ya desarrollada para la computación cuántica con circuitos superconductores a fin de dirigir y gestionar el calor y la carga en estos circuitos, en lugar de información.
Palabras clave
Ordenadores cuánticos, termodinámica cuántica, relaciones de fluctuación, NEQUFLUX, pares de Cooper