Un dispositivo 2D para enfriamiento cuántico

Para realizar cálculos cuánticos, los bits cuánticos (cúbits) deben enfriarse a temperaturas en el rango de los milikelvin (cerca de -273 grados 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 creación de sistemas cuánticos más grandes más allá del laboratorio.

Investigadores del Laboratorio de Electrónica y Estructuras a Nanoescala (LANES) de la EPFL, dirigidos por Andras Kis, de la Escuela de Ingeniería, han fabricado ahora 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 a los bajos campos magnéticos y temperaturas ultra bajas requeridas para los sistemas cuánticos. Este trabajo es realmente un paso adelante”, afirma Gabriele Pasquale, estudiante de doctorado de LANES.

El dispositivo innovador combina la excelente conductividad eléctrica del grafeno con las propiedades semiconductoras del seleniuro de indio. Con solo unos pocos átomos de grosor, se comporta como un objeto bidimensional, y esta novedosa combinación de materiales y estructura proporciona su rendimiento sin precedentes. El logro se ha publicado en Nature Nanotechnology.

Aprovechar el efecto Nernst

El dispositivo explota el efecto Nernst: un complejo fenómeno termoeléctrico que genera una tensión eléctrica cuando se aplica un campo magnético perpendicular a un objeto con una temperatura variable. La naturaleza bidimensional del dispositivo del laboratorio permite que la eficiencia de este mecanismo se controle eléctricamente.

La estructura 2D se fabricó en el Centro de MicroNanoTecnología de la EPFL y en el laboratorio LANES. Los experimentos incluyeron 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 el espacio exterior. Convertir el calor en voltaje a temperaturas tan bajas suele ser extremadamente desafiante, pero el dispositivo novedoso y su aprovechamiento del efecto Nernst hacen posible esto, llenando un vacío crítico en la tecnología cuántica.

“Si piensas en un portátil en una oficina fría, el portátil seguirá calentándose al funcionar, haciendo que la temperatura de la habitación también aumente. En los sistemas de computación cuántica, actualmente no hay ningún mecanismo para evitar que este calor perturbe los cúbits. Nuestro dispositivo podría proporcionar esta refrigeración necesaria”, afirma Pasquale.

Físico de formación, Pasquale destaca que esta investigación es significativa porque arroja luz sobre la conversión termoeléctrica 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 los circuitos cuánticos de baja temperatura existentes.

“Estos hallazgos representan un gran avance en la nanotecnología y prometen desarrollar tecnologías de refrigeración de vanguardia 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.”