Los científicos revelan posibilidades interesantes para desarrollar dispositivos cuánticos eficientes. La mecánica cuántica es una rama de la física que explora las propiedades y las interacciones de partículas a escalas extremadamente pequeñas, como átomos y moléculas. Esto ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías que son más potentes y eficientes que las tradicionales, lo que ha dado lugar a avances en áreas como la informática, las comunicaciones y la energía.
Un salto cualitativo en el diseño de motores
En el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), investigadores del Departamento de Sistemas Cuánticos, en colaboración con científicos de la Universidad de Kaiserslautern-Landau y la Universidad de Stuttgart, diseñaron y construyeron un motor basado en reglas especiales que obedecen las partículas a escalas extremadamente pequeñas.
Han desarrollado un motor que utiliza los principios de la mecánica cuántica para generar energía, en lugar de la forma habitual de quemar combustible. El artículo que describe estos resultados fue coautor de los investigadores de OIST Keerthy Menon, la Dra. Eloisa Cuestas, el Dr. Thomas Fogarty y el profesor Thomas Busch, y se publicó en la revista Nature.
Comparación de motores clásicos y motores cuánticos
En el típico motor de un coche clásico, se enciende una mezcla de combustible y aire en una cavidad. El calor generado por la explosión calienta el gas en la cavidad, que a su vez empuja el pistón hacia adentro y hacia afuera, produciendo trabajo para girar la rueda.
En su motor cuántico, los investigadores sustituyeron el uso de calor cambiando las propiedades cuánticas de las partículas del gas. Para entender cómo este cambio impulsa un motor, necesitamos saber que todas las partículas en la naturaleza pueden clasificarse como bosones o fermiones según sus propiedades cuánticas especiales.
A temperaturas extremadamente bajas, donde los efectos cuánticos se vuelven importantes, los bosones tienen un estado energético más bajo que los fermiones, y esta diferencia de energía puede usarse para impulsar motores. En lugar de calentar y enfriar cíclicamente un gas como un motor clásico, un motor cuántico funciona convirtiendo bosones en fermiones y viceversa.
"Para convertir un fermión en un bosón, se combinan dos fermiones en una molécula. Esta nueva molécula es un bosón. Después de descomponerla, podemos recuperar el fermión". El profesor Thomas Busch, líder del Grupo de Sistemas Cuánticos, explicó: "Al hacer esto en un bucle, podemos alimentar el motor sin usar calor".
La eficiencia y el potencial de los motores cuánticos
Aunque este motor sólo funciona en estado cuántico, el equipo de investigación descubrió que es bastante eficiente, alcanzando hasta el 25% en la configuración experimental existente establecida por colaboradores alemanes.
Este nuevo motor es un desarrollo apasionante en el campo de la mecánica cuántica y tiene el potencial de seguir avanzando en el campo emergente de las tecnologías cuánticas. ¿Pero eso significa que pronto veremos mecánica cuántica impulsando motores de automóviles? Keerthy Menon explica: "Si bien estos sistemas son muy eficientes, sólo hemos realizado una prueba de concepto con colaboradores experimentales. Hay muchos desafíos para crear un motor cuántico útil".
El calor puede destruir los efectos cuánticos si la temperatura es demasiado alta, por lo que los investigadores deben mantener el sistema lo más frío posible. Sin embargo, realizar experimentos a temperaturas tan bajas requiere mucha energía para proteger los estados cuánticos sensibles.
Los próximos pasos de la investigación implicarán resolver cuestiones teóricas fundamentales sobre el funcionamiento del sistema, optimizar su rendimiento e investigar su posible aplicabilidad a otros dispositivos de uso común, como baterías y sensores.