El primer motor térmico cuántico superconductor acerca los ordenadores cuánticos del futuro
Un diminuto dispositivo capaz de transformar calor en trabajo a escala cuántica acaba de convertirse en un inesperado aliado de la computación del futuro. Su desarrollo podría ayudar a superar uno de los mayores obstáculos para construir ordenadores cuánticos realmente útiles.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Recreación artística de un motor térmico cuántico superconductor integrado en un chip criogénico. Este tipo de dispositivos convierte diminutas cantidades de calor en trabajo utilizando un cúbit y podría reducir la complejidad de los futuros ordenadores cuánticos con cientos de miles de cúbits. Crédito: IA-DALL-E / RexMolón Producciones
Desde la Revolución Industrial, los motores térmicos han sido sinónimo de vapor, pistones y combustibles. Desde la máquina de James Watt, que comercializarse en la década de 1770, hasta los motores de combustión de los automóviles, todos obedecen las mismas leyes fundamentales de la termodinámica: aprovechan una diferencia de temperatura para convertir calor en trabajo útil.
Pero ¿qué ocurre cuando ese motor deja de ser una máquina macroscópica y se reduce al tamaño de un circuito cuántico que funciona apenas unas milésimas de grado por encima del cero absoluto, o sea, cerca de los -273,15 °C?
Un equipo de investigadores de la Universidad Aalto, en Finlandia, acaba de ofrecer la respuesta con un experimento que marca un hito en la física cuántica. Han construido el primer motor térmico cuántico cíclico basado en circuitos superconductores, un dispositivo diminuto capaz de transformar calor en trabajo siguiendo el mismo ciclo termodinámico que utilizan los motores de los automóviles, aunque en un escenario gobernado por las leyes de la mecánica cuántica.
El trabajo, publicado en la revista Nature Communications, supone mucho más que una curiosidad experimental: podría convertirse en una pieza clave para construir ordenadores cuánticos mucho más grandes y eficientes.
Qué son la superposición y el entrelazamiento cuántico
La idea de combinar termodinámica y mecánica cuántica lleva décadas fascinando a los físicos. La primera describe el comportamiento colectivo de sistemas formados por enormes cantidades de partículas, mientras que la segunda gobierna el extraño universo de los átomos y las partículas subatómicas, donde aparecen fenómenos tan desconcertantes como son:
✅ La superposición cuántica: una partícula o un cúbit —la unidad básica de información de un ordenador cuántico— puede existir simultáneamente en varios estados posibles hasta que se realiza una medición. En un ordenador cuántico, por ejemplo, un cúbit puede representar a la vez el 0 y el 1, en lugar de tener un único valor como un bit convencional.
✅ El entrelazamiento cuántico: dos o más partículas pueden quedar tan estrechamente vinculadas que sus estados permanecen correlacionados aunque estén separadas por grandes distancias. Cuando se mide una de ellas, el estado de la otra queda determinado de forma instantánea, una propiedad que Einstein calificó como una «acción fantasmal a distancia».
Comprender cómo interactúan ambos mundos constituye uno de los grandes desafíos actuales de la física.
El protagonista: un cúbit transmon
Hasta ahora ya se habían construido motores térmicos cuánticos utilizando iones atrapados, espines nucleares o centros de color en diamante. Sin embargo, los circuitos superconductores —la plataforma tecnológica más prometedora para desarrollar ordenadores cuánticos— seguían siendo una asignatura pendiente. Precisamente ahí reside la importancia del nuevo experimento.
🗣️ «En nuestro experimento, construimos un motor térmico nanofabricado utilizando circuitos superconductores y lo hicimos funcionar dentro de un criostato, muy cerca del cero absoluto. En su corazón se encuentra un cúbit transmon, uno de los componentes básicos de las tecnologías cuánticas actuales», explica Tuomas Uusnäkki, primer autor del estudio.
Recordemos que un cúbit transmon es un tipo de cúbit superconductor especialmente diseñado para reducir el ruido cuántico y mantener la información durante más tiempo, lo que lo convierte en uno de los bloques fundamentales de los ordenadores cuánticos de última generación.
Ese cúbit actúa como el fluido de trabajo del motor, el equivalente cuántico del gas que se expande y se comprime en un motor convencional. Pero el verdadero protagonista del experimento es otro dispositivo mucho menos conocido: un refrigerador cuántico capaz de calentar o enfriar el cúbit a voluntad.
Ilustración artística del primer motor térmico cuántico superconductor desarrollado por investigadores de la Universidad Aalto. El dispositivo utiliza un cúbit y un refrigerador cuántico para convertir calor en trabajo. Crédito: Heikka Valja / Aalto University
Un único refrigerador hace de fuente caliente y fría
A diferencia de un motor clásico, que necesita dos focos térmicos independientes —uno caliente y otro frío—, este sistema utiliza un único refrigerador cuántico ajustable que desempeña ambos papeles según convenga. Esa es una de las principales innovaciones del trabajo.
🗣️ «Nuestro refrigerador de circuito cuántico puede ajustarse para calentar o enfriar el cúbit cuando lo necesitamos. Mediante pulsos de control cuidadosamente sincronizados hicimos funcionar el motor siguiendo un ciclo de Otto y monitorizamos continuamente el estado del cúbit», señala Uusnäkki.
Hay que decir que el ciclo de Otto es el mismo principio termodinámico que utilizan los motores de gasolina. Consta de cuatro etapas perfectamente definidas:
1️⃣ Expansión.
2️⃣ Enfriamiento.
3️⃣ Compresión.
4️⃣ Calentamiento.
Los investigadores consiguieron reproducir ese ciclo dentro de un circuito superconductor modificando la frecuencia del cúbit mediante pulsos magnéticos y controlando simultáneamente el intercambio de calor con el refrigerador cuántico.
Un motor inspirado en el de un automóvil... pero casi a cero absoluto
Todo ello ocurre en condiciones extremas. El experimento funciona a temperaturas cercanas a los 40 milikelvin, apenas cuatro centésimas de grado por encima del cero absoluto. A esas temperaturas desaparece casi por completo cualquier vibración térmica y los efectos cuánticos dominan completamente el comportamiento del sistema.
Aunque el motor es diminuto, su funcionamiento sigue respetando las mismas leyes físicas que gobiernan una central eléctrica o el motor de un automóvil. Durante cada ciclo absorbe una pequeña cantidad de calor, realiza trabajo y vuelve a su estado inicial para repetir el proceso.
Los investigadores comprobaron precisamente eso: el calor que atravesaba el cúbit se convertía realmente en trabajo útil.
«Esta es la primera demostración experimental de un motor térmico cuántico cíclico en circuitos superconductores. Utilizar un único refrigerador cuántico controlable como fuente tanto caliente como fría simplifica enormemente el sistema y lo hace mucho más versátil», afirma Uusnäkki.
El experimento demuestra que el calor puede convertirse en trabajo cuántico
Para corroborarlo, el equipo realizó miles de mediciones individuales del estado cuántico del cúbit durante varios ciclos consecutivos. Gracias a esa monitorización pudieron calcular magnitudes termodinámicas como la energía interna, el calor absorbido, el trabajo realizado y la eficiencia del motor.
Los resultados coincidieron de forma estrecha con las simulaciones teóricas desarrolladas por los investigadores, lo que confirma que el dispositivo producía trabajo positivo tal y como predice la termodinámica cuántica.
Naturalmente, nadie va a sustituir mañana un motor de combustión por uno cuántico. La potencia desarrollada por este dispositivo es extraordinariamente pequeña y su eficiencia todavía está muy lejos de tener interés práctico. De hecho, durante los primeros ciclos alcanza alrededor del 27 % de la eficiencia teórica máxima prevista para un ciclo de Otto ideal en estas condiciones.
Sin embargo, el objetivo del experimento nunca fue construir un motor útil, sino demostrar que el concepto funciona realmente en una plataforma compatible con los futuros ordenadores cuánticos.
Esquema del funcionamiento del primer motor térmico cuántico superconductor. En cada ciclo de Otto, el cúbit alterna fases de calentamiento y enfriamiento controladas por un refrigerador cuántico, mientras pulsos magnéticos modifican su frecuencia para convertir el calor absorbido en trabajo útil, reproduciendo a escala cuántica el principio de funcionamiento de un motor térmico clásico. Cortesía: Uusnäkki, T., Mörstedt, T., Teixeira, W. et al.
Por qué este descubrimiento puede revolucionar los ordenadores cuánticos
Y ahí es donde aparecen las aplicaciones más prometedoras.
Los ordenadores cuánticos actuales utilizan decenas o algunos centenares de cúbits. Pero las máquinas realmente útiles necesitarán miles de cúbits lógicos, lo que implica cientos de miles de cúbits físicos funcionando de manera simultánea. Mantener bajo control semejante cantidad de elementos representa uno de los principales cuellos de botella de esta tecnología.
Actualmente cada cúbit requiere complejos sistemas electrónicos conectados mediante cables de microondas que atraviesan el criostato desde la temperatura ambiente hasta el interior del refrigerador de dilución. Esos cables no solo son extraordinariamente caros, sino que además introducen ruido y complican enormemente la arquitectura del ordenador.
El paso siguiente
El siguiente objetivo del grupo finlandés consiste precisamente en eliminar esa dependencia.
Los investigadores trabajan ya en un motor térmico autónomo que sea capaz, por ejemplo, de leer el estado de los cúbits sin necesidad de enviar continuamente señales de microondas desde el exterior.
«La estrategia finlandesa de tecnología cuántica contempla disponer hacia 2035 de un ordenador cuántico con mil cúbits lógicos, lo que probablemente requerirá cientos de miles de cúbits físicos. Con la tecnología actual eso exigiría millones de cables de microondas, cada uno con un coste de miles de euros —explica Mikko Möttönen, director del trabajo. Y precisa—: Además, esos cables introducen ruido en el sistema. Utilizar dispositivos autónomos eliminaría prácticamente la necesidad de esos cables».
Si ese objetivo llega a materializarse, la importancia de este pequeño motor irá mucho más allá de la física fundamental. Podría convertirse en un componente esencial para hacer escalables los futuros ordenadores cuánticos.
Qué implica este descubrimiento para la física
Pero incluso si esas aplicaciones tardan años en llegar, el experimento ya representa un logro científico de primer orden. Demuestra que es posible controlar de manera extremadamente precisa el flujo de calor en un sistema cuántico y utilizarlo para realizar trabajo siguiendo un ciclo termodinámico completo.
En otras palabras, los investigadores han conseguido tender un puente entre dos de las teorías más importantes de la física moderna: la mecánica cuántica y la termodinámica.
No deja de resultar irónico que uno de los conceptos que impulsó la Revolución Industrial hace más de doscientos años vuelva ahora a situarse en la vanguardia tecnológica. Solo que, esta vez, el motor no mueve locomotoras ni barcos de vapor. Funciona en un circuito superconductor casi congelado hasta el cero absoluto y podría ser una de las piezas que permitan construir los ordenadores cuánticos del futuro.▪️(13-julio-2026)
PREGUNTAS & RESPUESTAS: Motor Térmico Cuántico y Computación
🖥️ ¿Qué es un motor térmico cuántico?
Es un dispositivo que convierte calor en trabajo utilizando un sistema cuántico, como un cúbit, en lugar de un motor mecánico convencional.
🖥️ ¿Qué es un cúbit transmon?
Es uno de los tipos de cúbits superconductores más utilizados actualmente para construir ordenadores cuánticos debido a su estabilidad y facilidad de control.
🖥️ ¿Por qué este motor funciona cerca del cero absoluto?
Las temperaturas extremadamente bajas eliminan casi todo el ruido térmico y permiten que los efectos cuánticos dominen el comportamiento del sistema.
🖥️ ¿Qué relación tiene con los ordenadores cuánticos?
La tecnología desarrollada podría sustituir parte de la compleja electrónica necesaria para controlar grandes cantidades de cúbits, facilitando la construcción de ordenadores cuánticos mucho más grandes.
🖥️ ¿Tiene aplicaciones comerciales inmediatas?
No. Su principal valor es demostrar que los motores térmicos cuánticos superconductores funcionan realmente y servir como base para futuras tecnologías cuánticas.
LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
Un equipo de la Universidad Aalto (Finlandia) ha construido el primer motor térmico cuántico cíclico basado en circuitos superconductores.
El dispositivo reproduce un ciclo de Otto, el mismo principio termodinámico que utilizan los motores de gasolina.
El motor convierte calor en trabajo utilizando un único cúbit superconductor (transmon).
El experimento demuestra por primera vez que un motor cuántico puede funcionar en una plataforma compatible con los futuros ordenadores cuánticos superconductores.
La tecnología podría reducir la enorme complejidad electrónica necesaria para construir ordenadores cuánticos de gran escala.
El estudio aparece publicado en Nature Communications.
COMPUTACIÓN CUÁNTICA
Información facilitada por la Universidad Aalto
Fuente: Uusnäkki, T., Mörstedt, T., Teixeira, W. et al. Initial demonstration of a quantum heat engine based on dissipation-engineered superconducting circuits. Nature Communications (2026). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72651-x
