Es bastante habitual que el funcionamiento de los ordenadores clásicos se vea afectado enormemente por el calor, y es posible que uno se haya encontrado con esta situación en su vida cuando su computadora dejó de funcionar correctamente debido a un calentamiento excesivo.
Pero, ¿qué ocurre con los ordenadores cuánticos? ¿Influyen los factores termodinámicos en el funcionamiento de un dispositivo de computación cuántica? Bueno, la respuesta es sí, los ordenadores cuánticos funcionan con bits cuánticos o qubits que esencialmente están en un estado superpuesto intercambiando información en código binario. Un dato interesante sobre los qubits es que no sólo intercambian información utilizando 0 y 1, sino también valores intermedios entre 0 y 1. Estos qubits son muy sensibles, en el sentido de que una generación excesiva de calor podría causar defectos de funcionamiento que, en cierto sentido, pueden perjudicar al dispositivo en su conjunto. Otro punto crucial es que, para recuperar información del sistema de qubits, los estados cuánticos asociados deben ser desmantelados y esto podría tener un fuerte impacto negativo en el sistema cuántico, ya que el proceso sería exotérmico.
La unión Josephson: Un Componente Clave en los Sistemas Cuánticos
En trabajos recientes, los físicos han investigado los efectos termodinámicos causados por los sistemas cuánticos superconductores [1]. El método implica el empleo de una unión Josephson que opera esencialmente sobre el efecto Josephson, un ejemplo de fenómeno cuántico macroscópico en el que una supercorriente fluye entre dos superconductores colocados de extremo a extremo o muy próximos entre sí. La principal utilidad de una unión Josephson es almacenar información cuántica. El uso de superconductores es una ventaja porque aumenta la eficiencia de los qubits.
Los investigadores emplearon deslizamientos de fase cuánticos (QPS) en combinación con la unión Josephson. Estos deslizamientos de fase se conceptualizan esencialmente como tunelización cuántica de impulsos en dirección transversal a la parte débil de los superconductores. Esto a su vez produce disipación o calor.
Retos y Ventajas de los Qubits Superconductores
El uso de qubits superconductores está cargado de sus propios pros y contras. Como explica Wolfgang Belzig, autor del novedoso trabajo:
Una de las mayores ventajas de los qubits superconductores es su gran tamaño, que facilita su construcción y control. Por otro lado, esto puede ser una desventaja si se quieren poner muchos qubits en un chip. Los desarrolladores deben tener en cuenta que se producirá más calor y que el sistema debe refrigerarse adecuadamente.
El nuevo trabajo abre una nueva vía de investigación, ya que hasta ahora la investigación en computación cuántica se centraba principalmente en la mejora tecnológica y el empleo de la combinación adecuada de materiales para producir los qubits necesarios. Sin embargo, el último trabajo permite a los investigadores medir con exactitud la cantidad de calor producida por los sistemas superconductores, lo que se espera que lleve la investigación en computación cuántica y campos asociados al siguiente nivel. En concreto, los autores del último trabajo anticipan emocionantes experimentos futuristas basados en su innovación y confían en que una manipulación coherente de la disipación en circuitos basados en QPS ayudaría a superar el calentamiento excesivo en los dispositivos y, por tanto, a escalar sus prestaciones a niveles superiores.
Referencias
[1] E. Gümüş et al, Calorimetry of a phase slip in a Josephson junction, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01844-0
