El equipo dirigido por Mikko Möttönen, profesor de tecnología cuántica en la Universidad de Aalto de Finlandia, logró este hito utilizando un qubit transmon, un resonador y un refrigerador cuántico, según reportó Interesting Engineering. El descubrimiento representa la primera vez que la termodinámica clásica se ha conseguido a escala cuántica, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo de dispositivos autónomos en el ámbito cuántico.

La estrategia de tecnología cuántica de Finlandia tiene como objetivo construir una computadora cuántica con mil qubits lógicos para 2035. Una computadora cuántica de esta escala requerirá cientos de miles de qubits físicos conectados entre sí mediante millones de cables de microondas. Cada uno de estos cables cuesta mil euros según los precios actuales, lo que eleva significativamente el costo total de una computadora cuántica de esta magnitud.

Los científicos de la Universidad de Aalto también estaban preocupados por el ruido que esta infraestructura introduce en la configuración del sistema cuántico. Esta inquietud los llevó a explorar si podría utilizarse un enfoque alternativo que eliminara la necesidad de tantos cables. La respuesta fue construir dispositivos autónomos a escala cuántica, pero para lograrlo primero necesitaban crear un motor de calor cuántico.

Tuomas Uusnäkki, quien participó en la construcción del dispositivo, explicó el proceso: "En nuestro experimento, construimos un motor de calor nanofabricado utilizando circuitos superconductores y lo operamos en un criostato cerca del cero absoluto". El equipo creó el ciclo Otto, el mismo proceso termodinámico que impulsa los motores de los automóviles, pero dentro del circuito superconductor.

Los motores de calor han sido fundamentales en la historia de la tecnología. Desde automóviles hasta aviones, barcos y plantas de generación de energía, los motores de calor están presentes en todas partes. Convierten el calor en energía útil que puede aplicarse para realizar trabajo. Los físicos ahora están fascinados por la posibilidad de que la termodinámica clásica pueda lograrse también a escalas cuánticas.

Para determinar si el motor de calor cuántico podía realizar trabajo medible, el equipo transfirió el qubit al refrigerador de circuito cuántico y controló el flujo de calor a escala cuántica. A diferencia de otros motores de calor, el motor de calor cuántico utiliza el refrigerador cuántico tanto para calentar como para enfriar. Esta característica hace que el sistema sea simple pero versátil.

Uusnäkki añadió: "Nuestro refrigerador de circuito cuántico puede ajustarse para calentar o enfriar el qubit bajo demanda. Utilizando pulsos de control cuidadosamente cronometrados, impulsamos el motor en un ciclo Otto y monitoreamos el estado del qubit mientras el motor funcionaba".

El logro de construir un motor de calor cuántico sienta las bases para construir un motor de calor autónomo completo que pueda realizar tareas como leer qubits sin necesidad de utilizar pulsos de microondas desde temperaturas cercanas al cero absoluto hasta temperatura ambiente. Esto no solo ahorraría miles de euros en costos de cables de microondas, sino que también ayudaría a reducir la complejidad de construir computadoras cuánticas en el futuro.

Los hallazgos de la investigación fueron publicados en la revista Nature, lo que subraya la importancia científica del descubrimiento. Este avance representa un paso crucial hacia la miniaturización y la autonomía de los sistemas cuánticos, potencialmente revolucionando la forma en que se construyen y operan las computadoras cuánticas de próxima generación.