Un modelo de batería cuántica alcanza el límite teórico de velocidad de carga

Un equipo internacional de científicos ha diseñado una batería cuántica capaz de cargarse a la máxima velocidad permitida por las leyes de la física. El modelo, simple y factible en laboratorio, marca un hito en el almacenamiento de energía a escala atómica.

Por Enrique Coperías

Representación artística de una batería cuántica no lineal: un sistema formado por dos osciladores armónicos entrelazados, donde la energía fluye del cargador a la batería mediante una interacción cuántica que permite una carga ultraeficiente y más rápida que en cualquier modelo clásico. Imagen generada con DALL-E

Imagínate un futuro en el que la energía se almacena y distribuye en sistemas del tamaño de un átomo, donde los principios de la física cuántica permiten cargar baterías más rápido que lo que cualquier tecnología convencional podría alcanzar.

Este no es un mero ejercicio de ciencia ficción. En efecto, investigadores de Italia, Francia y España han dado un paso decisivo hacia esa posibilidad al presentar un nuevo modelo de batería cuántica con una ventaja cuántica genuina —es decir, que supera los límites impuestos por la física clásica— y que, además, podría construirse experimentalmente en un futuro cercano.

El trabajo, firmado por Gian Marcello Andolina, Vittoria Stanzione, Vittorio Giovannetti y Marco Polini, ha sido publicado recientemente en el repositorio de artículos científicos arXiv, y supone un hito en el incipiente pero prometedor campo de la termodinámica cuántica.

¿Qué es una batería cuántica?

A grandes rasgos, una batería cuántica es un sistema microscópico, gobernado por las leyes de la mecánica cuántica y diseñado para almacenar y transferir energía. Aunque el concepto fue introducido hace poco más de una década, la carrera por convertirlo en una realidad física ha ganado tracción en los últimos años.

La gran esperanza es que, aprovechando propiedades como la superposición cuántica y el entrelazamiento cuántico, estas baterías sean capaces de cargarse y descargarse mucho más rápidamente que sus versiones clásicas. Ante de nada, recordemos que:

✅ La superposición cuántica es un principio de la mecánica cuántica según el cual una partícula puede estar en dos o más estados a la vez hasta que se mide. Es como si un interruptor estuviera encendido y apagado al mismo tiempo.

✅ El entrelazamiento cuántico es un fenómeno por el cual dos partículas quedan conectadas de tal forma que el estado de una afecta instantáneamente al estado de la otra, sin importar la distancia que las separa.

Una propuesta anterior inviable

Pero hay un gran obstáculo a este reto científico: demostrar que esa ventaja es realmente cuántica —es decir, que no puede ser explicada por mecanismos clásicos o semi-clásicos— es sumamente difícil.

Hasta ahora, solo un modelo conocido como la batería de Sachdev-Ye-Kitaev (SYK), una compleja construcción teórica inspirada en ideas de la física de agujeros negros, parecía cumplir ese criterio. Sin embargo, su realización práctica está lejos de ser viable.

Ahí es donde entra el nuevo modelo propuesto por Andolina y sus colegas.

En los límites de la velocidad cuántica

El modelo es, a primera vista, engañosamente simple: consta de dos osciladores armónicos —básicamente dos sistemas físicos que vibran—, uno que actúa como cargador y otro como la batería propiamente dicha, según explican Stanzione y Andolina. La clave está en cómo interactúan: a través de una interacción no lineal que hasta ahora no había sido explorada en este contexto.

En términos técnicos, esta interacción permite transferir energía del cargador a la batería durante un periodo controlado de tiempo, respetando la conservación de la energía y generando un estado final en el que la batería ha absorbido completamente toda la energía inicial del cargador.

Lo más notable del modelo es que esta transferencia se produce con una eficiencia y una velocidad que no solo son óptimas, sino que saturan los límites teóricos conocidos como límites de velocidad cuántica. Es decir, no se podría hacer mejor ni más rápido dentro de las leyes de la mecánica cuántica.

Por qué esta batería cuántica es «genuina»

Para que un sistema sea considerado como portador de una ventaja cuántica genuina (GQA, por sus siglas en inglés), no basta con que funcione bien o rápido. Así es, debe hacerlo de forma que ninguna analogía clásica pueda replicar su comportamiento. Y eso es precisamente lo que han demostrado los autores:

✅ Primero compararon su modelo con una versión clásica del mismo sistema, es decir, uno en el que las reglas de la mecánica cuántica se sustituyen por las de la mecánica clásica. El resultado fue que, mientras el sistema cuántico lograba transferir energía con total eficiencia, su equivalente clásico ni siquiera comenzaba a cargar la batería.

✅ Después evaluaron el modelo frente a los límites de velocidad cuántica. En física cuántica, el tiempo que un sistema tarda en evolucionar de un estado inicial a uno final está restringido por su energía y variabilidad. En este caso, el sistema propuesto alcanza ese límite exacto, lo que implica que su rendimiento no puede ser mejorado por ningún otro mecanismo físico permitido.

✅ Y por último, analizaron el comportamiento del sistema bajo un criterio adicional propuesto recientemente por otros investigadores: un límite superior al poder de carga basado en geometría cuántica. El modelo también alcanza este umbral, lo que refuerza la conclusión de que estamos ante una ventaja intrínsecamente cuántica.

Un diseño con futuro experimental

Además del valor teórico del hallazgo, lo más prometedor es su aplicabilidad. A diferencia del modelo de la batería de Sachdev-Ye-Kitaev, este diseño podría implementarse en laboratorios actuales mediante circuitos superconductores: sistemas ya empleados en computación cuántica, donde osciladores armónicos y acoplamientos no lineales se manipulan con una precisión exquisita.

Los autores proponen una configuración concreta: dos resonadores superconductores conectados mediante una unión Josephson, un componente central en las tecnologías de cúbits. Mediante un ajuste fino de sus parámetros, y gracias a las propiedades del coseno de Josephson, se puede generar precisamente el tipo de interacción no lineal que sustenta su modelo.

Eso sí, hay límites prácticos: el orden de la no linealidad no puede crecer indefinidamente, porque la interacción se vuelve difícil de aislar. Pero dentro de un rango moderado —suficiente para demostrar la ventaja cuántica— el diseño es perfectamente factible.

Una batería que se carga mejor con estados cuánticos «puros»

Otro hallazgo interesante del trabajo es el papel crucial que juegan los estados iniciales del sistema. En particular, se demuestra que el uso de estados de Fock —estados con un número exacto de excitaciones cuánticas— es óptimo.

Si se emplean otros estados cuánticos, como los estados coherentes o los estados exprimidos (más comunes en óptica cuántica), la eficiencia de carga disminuye.

Esto sugiere que no solo importa el diseño del sistema físico, sino también cómo se preparan sus componentes, un detalle que será clave en la ingeniería futura de baterías cuánticas.

A corto plazo, las baterías cuánticas podrían aplicarse a los dispositivos fotónicos par mejorar el control energético en los chips ópticos.

Hacia una nueva generación de dispositivos energéticos

Este avance no significa que vayamos a cargar nuestros móviles con baterías cuánticas el año que viene, pero sí marca una dirección clara: los principios de la mecánica cuántica pueden ser aprovechados para manipular la energía de formas más rápidas y eficientes, sobre todo en escalas donde los métodos clásicos pierden eficacia.

A largo plazo, podrían surgir tecnologías energéticas totalmente nueva, y las aplicaciones más inmediatas podrían encontrarse en:

✅ Computación cuántica: proveer de energía ultrarrápida a procesadores cuánticos.

✅ Dispositivos fotónicos: mejorar el control energético en chips ópticos.

✅ Tecnología de sensores: crear sistemas autónomos que se recarguen internamente.

✅ Nanotecnología y biotecnología: aplicaciones biomédicas con dispositivos energéticos miniaturizados.

Mientras todo esto se materializa, el nuevo modelo se convierte en una referencia ineludible en la investigación de baterías cuánticas: por primera vez, una propuesta simple, analíticamente demostrable y realizable en laboratorio alcanza todos los requisitos para hablar de una verdadera ventaja cuántica.

En palabras de los autores, «este es, hasta donde sabemos, el único modelo de batería cuántica donde se puede certificar una ventaja cuántica genuina de forma analítica». Una afirmación audaz, pero respaldada por cálculos sólidos y, ahora, con un camino claro hacia su validación experimental.

• Fuente: Gian Marcello Andolina et al. Genuine quantum advantage in non-linear bosonic quantum batteries. arXiv (2025). DOI:
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.08627