China se esfuerza por convertirse en líder mundial en tecnología cuántica a través de su estrategia nacional de desarrollo impulsado por la innovación. La semana pasada, un equipo de investigadores de Shanghai afirmó haber desarrollado un novedoso sistema de refrigeración para crear las temperaturas extremadamente bajas que necesitan los ordenadores cuánticos para funcionar.
Los componentes principales de la mayoría de las máquinas cuánticas -desde ordenadores hasta satélites- detectan y manipulan partículas subatómicas que se alteran fácilmente con el calor para almacenar y procesar información, por lo que estas máquinas necesitan funcionar en condiciones cercanas al cero absoluto.
Para mantener el “estado cuántico” de un sistema es esencial minimizar el riesgo de que algo perturbe su frágil posición, ya que el más mínimo aumento de temperatura puede hacer que los átomos y las moléculas se muevan demasiado y aumenten el voltaje de las partículas subatómicas en su interior, cambiando así su estado cuántico.
Helio-3: extremadamente raro en la Tierra
Para enfriar el hardware cuántico más avanzado se necesita helio-3, un isótopo del helio que tiene un nivel de eficiencia inigualable para transportar el calor. Sin embargo, el Helio-3 es extremadamente raro en la Tierra y el principal suministro proviene de las envejecidas cabezas nucleares.
En menos de dos décadas, el Helio-3 ha experimentado un aumento exponencial de su demanda para la investigación cuántica y otras tecnologías disruptivas y su precio se ha multiplicado por más de 40 hasta superar los 5.000 dólares por litro en forma de gas.
Además, no cualquiera puede comprarlo. Por ejemplo, en Estados Unidos el Helio-3 es uno de los pocos productos básicos que están sujetos a estrictos controles gubernamentales de producción y distribución por motivos militares.
En un artículo publicado la semana pasada en un boletín científico nacional, el profesor Dang Haizheng y sus colegas del Instituto de Física Técnica de Shangai de la Academia China de las Ciencias afirmaron que habían construido un potente sistema de refrigeración para algunas de las máquinas cuánticas más exigentes sin utilizar nada de Helio-3.
Helio-4, el superfluido
Este nuevo dispositivo de refrigeración utiliza el Helio-4, otro isótopo del helio que se utiliza como gas para los globos de fiesta. El Helio-4 es mucho más abundante que el Helio-3, pero es menos eficaz como refrigerante en condiciones extremas.
El helio-4, cuando se somete a temperaturas tan bajas como 2 kelvin (-271 grados Celsius), se convierte en un superfluido, trepando por las paredes sin importar la gravedad y haciéndose mucho más difícil de controlar.
Un superfluido puede hacer cosas que ningún otro fluido puede, que es desafiar las leyes de la gravedad y trepar por las paredes de un recipiente y escapar.
El equipo de Dang ha desarrollado un modelo teórico que podría predecir hasta cierto punto el comportamiento del flujo de Helio-4 en estado superfluido.
El sistema de refrigeración que construyeron tiene un principio de funcionamiento similar al de un frigorífico doméstico, pero con pocas piezas móviles. Está impulsado por una fuente de energía de impulsos y funciona a una alta frecuencia para aumentar la eficacia de la transferencia de calor.
Para contener el comportamiento irregular del Helio-4, el equipo de Dang ha añadido un componente especial para detener el ascenso antigravitatorio. Según los investigadores, una parte del dispositivo debe construirse con componentes de altísima calidad, con una precisión dos veces superior a la de los productos convencionales actuales.
En su experimento, el nuevo dispositivo de refrigeración mantuvo un detector monofotónico de nanocables superconductores, un sensor óptico utilizado habitualmente en las máquinas cuánticas, a una temperatura de 1,8 kelvin durante más de dos semanas (15 días).
Los resultados de este experimento demostraron que el Helio-4 tiene el potencial de sustituir completamente al Helio-3 en algunas de las aplicaciones más exigentes, como las misiones espaciales, afirmaron los investigadores.
“Es una gran noticia”, dijo un físico cuántico de Hefei, en la provincia de Anhui, que declinó ser nombrado.
Encontrar un sustituto del Helio-3 podría reducir el coste de la tecnología cuántica en los radares en al menos un 10 %, según la estimación aproximada del investigador.
En 2016, un equipo de investigadores chinos del Laboratorio Clave de Tecnologías de Detección Inteligente del 14.º Instituto de Investigación de China Electronics Technology Group Corporation afirmó haber desarrollado un “radar cuántico” que podía detectar objetivos a una distancia de hasta 100 km.
Los medios de comunicación chinos calificaron entonces este radar como la “némesis” de los cazas furtivos. El investigador principal afirmó que el sistema no solo rastreará aviones furtivos, sino también “objetos voladores de alta velocidad en la atmósfera superior y por encima de ella”, es decir, misiles balísticos.
Aplicación masiva de la tecnología cuántica
Aparte de esto, algunas de las contribuciones más significativas de China al desarrollo de la tecnología cuántica son el primer satélite cuántico del mundo, la red de comunicación cuántica más larga y los ordenadores cuánticos más rápidos.
Sin embargo, todo lo anterior se desarrolló utilizando sensores refrigerados por Helio-3 y el uso de Helio-4 podría permitir aún más la aplicación masiva de la tecnología cuántica.
Dicho esto, la viabilidad del nuevo dispositivo de refrigeración es cuestionable porque el experimento se realizó en un laboratorio.
Lo importante, sin embargo, es que, antes tachada de imitadora de las tecnologías desarrolladas en el extranjero, China está liderando las innovaciones relacionadas con las tecnologías emergentes, como la tecnología cuántica.
China debe ser un “líder mundial en innovación” para 2035, según declaró el presidente Xi Jinping durante el XIX Congreso Nacional del Partido Comunista Chino el pasado octubre.
En el marco de su decimotercer plan quinquenal, China ha puesto en marcha un “megaproyecto” de comunicaciones y computación cuánticas, cuyo objetivo es realizar importantes avances en estas tecnologías para 2030, incluyendo la ampliación de la infraestructura nacional de comunicaciones cuánticas de China, el desarrollo de un prototipo de ordenador cuántico general y la construcción de un simulador cuántico práctico.