Para realizar cálculos cuánticos, los bits cuánticos (qubits) deben enfriarse a temperaturas del orden de los milikelvin (cerca de -273 Celsius), para ralentizar el movimiento atómico y minimizar el ruido. Sin embargo, la electrónica utilizada para gestionar estos circuitos cuánticos genera calor, que es difícil de eliminar a temperaturas tan bajas. Por lo tanto, la mayoría de las tecnologías actuales deben separar los circuitos cuánticos de sus componentes electrónicos, lo que provoca ruido e ineficiencias que dificultan la realización de sistemas cuánticos más grandes más allá del laboratorio.
Los investigadores del Laboratorio de Electrónica y Estructuras a Nanoescala (LANES) de la EPFL, dirigidos por Andras Kis, en la Escuela de Ingeniería, han fabricado un dispositivo que no sólo funciona a temperaturas extremadamente bajas, sino que lo hace con una eficiencia comparable a las tecnologías actuales a temperatura ambiente.
«Somos los primeros en crear un dispositivo que iguala la eficiencia de conversión de las tecnologías actuales, pero que opera en los campos magnéticos bajos y las temperaturas ultrabajas que requieren los sistemas cuánticos. Este trabajo es realmente un paso adelante», dice el estudiante de doctorado de LANES Gabriele Pasquale.
El innovador dispositivo combina la excelente conductividad eléctrica del grafeno con las propiedades semiconductoras del seleniuro de indio. Con tan solo unos pocos átomos de espesor, se comporta como un objeto bidimensional, y esta novedosa combinación de materiales y estructura le confiere un rendimiento sin precedentes. El logro ha sido publicado en Naturaleza Nanotecnología.
Aprovechamiento El Nernst efecto
El dispositivo aprovecha el efecto Nernst: un fenómeno termoeléctrico complejo que genera un voltaje eléctrico cuando se aplica un campo magnético perpendicular a un objeto con una temperatura variable. La naturaleza bidimensional del dispositivo del laboratorio permite controlar eléctricamente la eficiencia de este mecanismo.
La estructura 2D se fabricó en el Centro de MicroNanotecnología de la EPFL y en el laboratorio LANES. Los experimentos implicaron el uso de un láser como fuente de calor y un refrigerador de dilución especializado para alcanzar los 100 milikelvin, una temperatura incluso más fría que la del espacio exterior. Convertir calor en voltaje a temperaturas tan bajas suele ser extremadamente difícil, pero el novedoso dispositivo y su aprovechamiento del efecto Nernst lo hacen posible, llenando un vacío crítico en la tecnología cuántica.
«Si pensamos en un ordenador portátil en una oficina fría, el portátil se calentará durante su funcionamiento, lo que también hará que la temperatura de la habitación aumente. En los sistemas de computación cuántica, actualmente no existe ningún mecanismo que impida que este calor perturbe los cúbits. Nuestro dispositivo podría proporcionar esta refrigeración necesaria», afirma Pasquale.
Pasquale, físico de formación, destaca que esta investigación es importante porque arroja luz sobre la conversión de energía térmica a bajas temperaturas, un fenómeno poco explorado hasta ahora. Dada la alta eficiencia de conversión y el uso de componentes electrónicos potencialmente fabricables, el equipo de LANES también cree que su dispositivo ya podría integrarse en circuitos cuánticos de baja temperatura existentes.
«Estos hallazgos representan un avance importante en nanotecnología y son prometedores para el desarrollo de tecnologías de refrigeración avanzadas esenciales para la computación cuántica a temperaturas de milikelvin», afirma Pasquale. «Creemos que este logro podría revolucionar los sistemas de refrigeración para las tecnologías futuras».
