El ruido es uno de los grandes enemigos de la computación cuántica. En sistemas que operan a temperaturas cercanas al cero absoluto, cualquier fluctuación térmica o electromagnética puede borrar en un instante la información almacenada en los cúbits. Durante años, buena parte del esfuerzo tecnológico se ha centrado en aislar, filtrar y suprimir ese ruido hasta límites extremos. Sin embargo, un nuevo experimento demuestra que esa estrategia no es la única posible: el ruido también puede convertirse en un recurso útil.
Un trabajo publicado en Nature Communications describe la primera demostración experimental de una nevera cuántica impulsada por ruido en un circuito superconductor. En lugar de combatir las fluctuaciones, el dispositivo las aprovecha para extraer calor de un sistema cuántico y transferirlo a otro más caliente. El resultado es una máquina térmica autónoma que opera en estado estacionario y que reproduce, con un alto grado de control, el comportamiento de un refrigerador cuántico de tres niveles, una idea teórica discutida desde hace décadas.
Del problema al recurso: el ruido en la física cuántica
En la mayoría de tecnologías cuánticas, el ruido aparece como decoherencia, es decir, como la pérdida de las delicadas superposiciones que hacen posible el procesamiento cuántico de información. En circuitos superconductores, este ruido puede tener múltiples orígenes: fluctuaciones de flujo magnético, radiación térmica residual o imperfecciones en los materiales. Por eso, su presencia suele asociarse directamente a errores y limitaciones de rendimiento.
El punto de partida del nuevo trabajo es distinto. Los autores señalan que “aunque el ruido de desfasaje suele obstaculizar los dispositivos cuánticos, puede convertirse en un recurso para máquinas térmicas cuánticas”. Esta afirmación, tomada literalmente del artículo científico, resume el cambio conceptual que guía el experimento. El ruido deja de ser un elemento pasivo y pasa a desempeñar un papel activo en el transporte de energía.
La clave está en un fenómeno conocido como transporte cuántico asistido por ruido. En determinados sistemas, las fluctuaciones pueden facilitar transiciones energéticas que de otro modo estarían bloqueadas. Este mecanismo se ha estudiado en redes cuánticas y, de forma más especulativa, en procesos biológicos como la fotosíntesis. Aquí se traslada ese principio a una máquina térmica diseñada con precisión nanométrica.
Una molécula artificial hecha de cúbits superconductores
El corazón del dispositivo es una molécula artificial superconductora formada por dos cúbits de tipo transmon acoplados entre sí. Aunque no contiene átomos reales, su estructura energética se comporta de manera análoga a la de una molécula diatómica. En el régimen relevante, el sistema presenta un estado fundamental y dos estados excitados colectivos: uno simétrico y otro antisimétrico.
Cada uno de estos estados se acopla de forma selectiva a un canal de microondas distinto. Uno actúa como baño caliente y el otro como baño frío, ambos implementados mediante guías de onda pobladas con radiación cuasitérmica. Esta selectividad no es accidental: se logra mediante un diseño cuidadoso de las conexiones capacitivas, de modo que cada transición “prefiere” un entorno térmico concreto.
Además, el sistema incluye un tercer canal, acoplado longitudinalmente a uno de los cúbits, por el que se inyecta ruido controlado de desfasaje. Este canal no sirve para intercambiar calor de forma convencional, sino para inducir transiciones incoherentes entre los estados simétrico y antisimétrico. De este modo, el ruido conecta energéticamente los dos niveles excitados y permite el flujo de energía entre los baños.
Cómo el ruido pone en marcha la refrigeración
En ausencia de ruido, cada transición del sistema se thermaliza de manera independiente con su propio baño. El estado simétrico intercambia energía con el canal caliente, y el antisimétrico con el frío. En ese escenario, no hay refrigeración posible: el sistema simplemente refleja las temperaturas impuestas desde el exterior.
La situación cambia cuando se introduce el ruido de desfasaje. Este ruido actúa como un baño efectivo de temperatura infinita para el subespacio formado por los dos estados excitados. Al mezclar sus poblaciones, obliga al sistema a reajustarse continuamente con los baños reales para recuperar el equilibrio. Ese reajuste se traduce en flujos netos de energía.
Tal como explica el artículo, “el ruido de desfasaje actúa como un baño de temperatura infinita para el subespacio formado por los estados excitados, impulsándolo hacia una mezcla equilibrada”. Dependiendo de las temperaturas relativas y de las frecuencias de las transiciones, este proceso puede extraer energía del baño frío y transferirla al caliente, exactamente lo que define a un refrigerador.
El experimento demuestra que existe un rango bien definido de parámetros en el que el flujo de calor va en contra del gradiente térmico. En ese régimen, la máquina funciona como una nevera cuántica autónoma alimentada únicamente por ruido, sin necesidad de control externo periódico ni trabajo mecánico clásico.
Medir lo casi imposible: corrientes de calor diminutas
Uno de los grandes retos del trabajo es la medición directa de corrientes de calor extremadamente pequeñas. En este dispositivo, la energía se transporta en forma de fotones de microondas, y las potencias involucradas son del orden de los attovatios, es decir, 10⁻¹⁸ vatios. Detectar variaciones tan sutiles exige una instrumentación excepcionalmente sensible.
Los investigadores combinan medidas de densidad espectral de potencia con lecturas temporales directas del campo electromagnético. Gracias a esta estrategia, pueden determinar si el sistema emite o absorbe fotones en cada uno de los canales, y con ello reconstruir los flujos de calor. El artículo subraya que “resolvemos directamente corrientes de calor de fotones de microondas a escala de attovatios”, una capacidad poco común incluso en experimentos de física cuántica avanzada.
Estas mediciones no solo confirman la existencia del efecto, sino que permiten comparar los resultados con modelos teóricos basados en ecuaciones maestras de tipo Lindblad. La concordancia entre teoría y experimento es notable y se obtiene sin parámetros ajustados, lo que refuerza la solidez de la interpretación.
Tres máquinas en una: nevera, motor y acelerador térmico
Al variar las temperaturas efectivas de los baños y la intensidad del ruido, el mismo dispositivo puede operar en distintos modos. En un régimen, funciona como motor térmico, transformando gradientes de temperatura en flujo de energía hacia el canal de ruido. En otro, actúa como acelerador térmico, intensificando el transporte de calor en la dirección natural del gradiente.
El modo más llamativo es el de refrigeración. En ese caso, el canal asociado al estado antisimétrico se enfría aún más, mientras el canal simétrico se calienta. El ruido suministra la energía necesaria para salvar la diferencia entre las frecuencias de las transiciones. Como señalan los autores, “demostramos dinámicas de flujo de energía características de un refrigerador cuántico, un motor térmico y un acelerador térmico”.
El rendimiento del refrigerador se cuantifica mediante su coeficiente de rendimiento o COP. En el experimento, este valor alcanza cifras cercanas al límite de Carnot para las temperaturas consideradas, lo que indica que el proceso no solo es conceptualmente interesante, sino también termodinámicamente eficiente dentro de su marco teórico.
Por qué importa para la tecnología cuántica
Más allá de la demostración fundamental, el trabajo apunta a aplicaciones concretas. En procesadores cuánticos cada vez más grandes, el calor no se distribuye de forma uniforme. Las operaciones de control y lectura generan focos locales de energía que los sistemas de refrigeración convencionales no siempre pueden evacuar de manera eficiente.
Una nevera cuántica integrada, capaz de redirigir el calor a escala microscópica, podría complementar los criostatos actuales y mejorar la estabilidad de los dispositivos. Además, el experimento abre una vía para estudiar la termodinámica cuántica en condiciones muy controladas, algo esencial para comprender los límites físicos de la computación cuántica.
Los propios autores destacan que su sistema debe entenderse como una simulación cuántica analógica de un refrigerador asistido por ruido. Aun así, demuestra que conceptos largamente teóricos, como la refrigeración browniana, pueden materializarse en circuitos reales y medibles.
MUY INTERESANTE
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