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Un refrigerador diminuto y los computadores cuánticos

El Nano refrigerador podría mantener los ordenadores cuánticos lo suficientemente fríos para realizar calculos

Un refrigerador diminuto y los computadores cuánticos
Este chip de tamaño centimetro tiene refrigeración a nanoescala. Crédito de la imagen: Kuan Yen Tan

Original de Jennifer Ouellette para newscientist 8 Mayo de 2017


Incluso los ordenadores cuánticos necesitan mantenerse frescos. Ahora, los investigadores han construido un pequeño refrigerador a nanoescala para mantener los qubits lo suficientemente fríos para funcionar.

Los ordenadores clásicos requieren ventiladores integrados y otras formas de disipar el calor, y los ordenadores cuánticos no son diferentes. En lugar de trabajar con bits de información que pueden ser 0 o 1, como en una máquina clásica, una computadora cuántica se basa en "qubits", que pueden estar en ambos estados simultáneamente - llamada superposición - gracias a las peculiaridades de la mecánica cuántica. Esos qubits deben protegerse de todo ruido externo, ya que la menor interferencia destruirá la superposición, resultando en errores de cálculo. Los qubits bien aislados se calientan fácilmente, por lo que mantenerlos frescos es un desafío.

Además, a diferencia de una computadora clásica, los qubits deben comenzar en sus estados de tierra a baja temperatura para ejecutar un algoritmo. Qubits se calientan durante los cálculos, por lo que si desea ejecutar varios algoritmos cuánticos uno tras otro, cualquier mecanismo de refrigeración debe ser capaz de hacer su trabajo rápidamente. Un ventilador estándar no lo hará.

Ahora, Mikko Möttönen de la Universidad de Aalto en Finlandia y sus colegas han construido el primer dispositivo de refrigeración autónomo para un circuito cuántico. Podría eventualmente ser integrado en muchos tipos de dispositivos electrónicos cuánticos – incluyendo una computadora.

El equipo construyó un circuito con una brecha de energía que divide dos canales: un carril rápido superconductor, donde los electrones pueden cerrarse con una resistencia cero, y un carril de resistencia lenta (no superconductor). Sólo los electrones con suficiente energía para saltar a través de esa brecha pueden llegar a la carretera del superconductor; El resto está atrapado en el carril lento.

Si algún electrón pobre se queda justo antes de tener suficiente energía para hacer el salto, puede obtener un impulso al capturar un fotón de un resonador cercano – un dispositivo que puede funcionar como un qubit. Como resultado, el resonador se enfría gradualmente.

Con el tiempo esto tiene un efecto de enfriamiento selectivo en los electrones también: los electrones más calientes saltar la brecha, mientras que los más fríos se quedan atrás. El proceso elimina el calor del sistema, al igual que el funcionamiento de un refrigerador.

Demonio frío

Spiros Michalakis en el Instituto de Tecnología de California dibuja una analogía floja con el famoso experimento de pensamiento conocido como Maxwell's Demon, en el que un ser inteligente preside una caja de átomos de gas dividida en dos cámaras. El demonio sólo permite que los átomos más calientes, o más enérgicos, pasen a través de una abertura en la pared que divide las dos cámaras, lo que da lugar a una fuerte diferencia de temperatura entre los dos.

No hay demonio en la nevera cuántica, pero funciona de manera similar, dice Michalakis. "Es como una puerta similar al demonio de Maxwell, donde sólo permiten que los electrones con energía por encima de un determinado umbral se cruzen", dijo.

El siguiente paso será construir el dispositivo y refrescar qubits reales con él, teniendo cuidado de no destruir accidentalmente la superposición cuando el refrigerador se apaga. Möttönen confía bastante en el éxito eventual que él ha solicitado una patente para el dispositivo.

"Tal vez en 10 a 15 años, esto podría ser comercialmente útil", dijo. "Va a tomar algún tiempo, pero estoy bastante seguro de que llegaremos allí."


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