Una Inmersión en los Aspectos Termodinámicos de la Computación Cuántica

^{Fuente: QuantumComputingInc} 

^{Por: Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation} 

Es bastante convencional que el funcionamiento de los computadores clásicos se vea afectado inmensamente por el calor, y uno puede haberse encontrado con esta situación en su vida cuando su computador no funcionaba correctamente debido a un calentamiento excesivo. 

Pero, ¿qué ocurre con los computadores cuánticos? ¿Influyen los factores termodinámicos en el funcionamiento de un dispositivo de computación cuántica? Bueno, la respuesta es sí, los computadores cuánticos funcionan utilizando 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 significativa del sistema de qubits, hay que desmontar los estados cuánticos asociados, lo que posiblemente tendría un fuerte impacto negativo en el sistema cuántico, ya que el proceso sería exotérmico. 

En trabajos recientes, los físicos han investigado los efectos termodinámicos causados por los sistemas cuánticos superconductores [1]. El método consiste en emplear 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 uno al lado del otro o muy cerca el uno del otro. 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 tunelamiento cuántico de impulsos en dirección transversal a la parte débil de los superconductores. Esto, a su vez, produce disipación o calor.

El uso de qubits superconductores está cargado de sus propios pros y contras. Como Wolfgang Belzig, autor del novedoso trabajo explica: "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 los estudios sobre computación cuántica se centraban 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 precisión la cantidad de calor producida por los sistemas superconductores, lo que es de esperar que lleve la investigación en computación cuántica y campos asociados al siguiente nivel. En concreto, los autores del último trabajo prevén 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