Avanzando hacia el diseño de máquinas cuánticas más eficientes

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Una investigación internacional, en la que participan la Universidad Complutense de Madrid (UCM) y el CSIC, proporciona una serie de teoremas matemáticos que servirán para transformar los conocimientos sobre física cuántica y mejorar la eficiencia del diseño de aparatos comercializables. El trabajo describe cómo se degrada la energía cuando se actúa sobre un sistema microscópico y ha sido publicado en la revista Nature Communications.

Entender cómo se comportan los sistemas microscópicos cuando se actúa sobre ellos y qué tipo de situaciones implican consecuencias irreversibles es, hasta ahora, uno de los grandes retos de la física actual. En este sentido el investigador de la UCM, Armando Relaño, ha explicado que en este trabajo se proporcionan “una serie de teoremas matemáticos que establecen cómo se degradan la energía y la información en sistemas microscópicos, y cómo la pérdida de información puede compensar, hasta cierto límite, esa degradación”. Asimismo, de la mano también de estos teoremas matemáticos, y en base a simulaciones por ordenador,  proporcionan “un mecanismo para rastrear cuánta información es potencialmente útil para mejorar la eficiencia de las máquinas cuánticas que se almacena en esos sistemas microscópicos”.

El trabajo también explica, gracias a una serie de resultados teóricos, cómo esta información se degrada en determinados procesos. Según ha aclarado este investigador, “cualquier máquina transforma parte de una energía útil en el trabajo para el que está diseñada, pero siempre pierde otra porción de esa misma energía; por ejemplo, de toda la energía química almacenada en la gasolina, un motor solo aprovecha una parte, mientras que otra se pierde en forma de calor y ya no puede utilizarse”.

La mecánica cuántica, en cambio, permite superar estas limitaciones demostrando que se puede utilizar información cuántica almacenada en el sistema para compensar parte de la energía destinada a perderse y, de esta forma, mejorar el rendimiento energético.

MÁQUINAS MÁS EFICIENTES

El trabajo es de naturaleza puramente teórica, pero los investigadores esperan que estos resultados puedan aplicarse en el diseño de máquinas cuánticas más eficientes. La clave para ello estaría en que la información almacenada en los estados de equilibrio permite aumentar el trabajo mecánico extraíble del sistema. Asimismo, podría utilizarse para diseñar termómetros aplicables a sistemas cuánticos pequeños a bajas temperaturas.

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