Idean un motor que aprovecha el poder de la mecánica cuántica para generar energía

El motor cuántico es un ingenio microscópico que utiliza los principios de la mecánica cuántica para generar energía, en lugar de la forma habitual de quemar combustible. Funciona con un solo átomo y supera con creces a los motores térmicos que hoy mueven coches, barcos y aviones. Aunque de momento es una posibilidad, promete revolucionar muchas cosas.

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia la dinámica de las partículas elementales, como los electrones y los fotones. Estas partículas pueden existir en diferentes estados, llamados superposiciones, que son combinaciones simultáneas de dos o más posibilidades.

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Por ejemplo, un electrón puede estar en una superposición de girar hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo. Sin embargo, cuando se mide el estado del electrón, se colapsa en una de las posibilidades, y se pierde la información sobre la otra.

Motores cuánticos

La pregunta que ha surgido es ¿qué pasaría si se pudiera controlar el proceso de medición para extraer energía de las superposiciones cuánticas? Esa es la idea que está detrás de los motores cuánticos, unos dispositivos microscópicos que utilizan los principios de la mecánica cuántica para generar energía, en lugar de la forma habitual de quemar combustible. En 2021 ya informamos en otro artículo de este tecnología todavía en ciernes.

Ahora, un equipo internacional de científicos, liderado por el profesor Thomas Busch del Instituto Okinawa de Ciencia y Tecnología (OIST), ha demostrado teóricamente que es posible construir un motor cuántico que funcione con un solo átomo.

El motor consiste en un átomo atrapado en una cavidad óptica, que es un espacio entre dos espejos que reflejan la luz. El átomo puede estar en una superposición de dos estados: excitado y no excitado. Cuando el átomo está excitado, emite un fotón, que es una partícula de luz. Cuando el átomo está no excitado, no emite nada.

Cuatro pasos

El motor funciona mediante un ciclo de cuatro pasos. En el primer paso, se aplica un láser al átomo para ponerlo en una superposición de excitado y no excitado.

En el segundo paso, se abre uno de los espejos para permitir que el fotón salga de la cavidad. Si el átomo estaba excitado, el fotón sale y se pierde la información sobre el estado del átomo. Si el átomo estaba no excitado, no pasa nada.

En el tercer paso, se cierra el espejo y se aplica otro láser al átomo para invertir su estado. Si el átomo estaba excitado, pasa a estar no excitado. Si el átomo estaba no excitado, pasa a estar excitado.

En el cuarto paso, se abre el otro espejo para permitir que otro fotón salga de la cavidad. Si el átomo estaba excitado, el fotón sale y se recupera la información sobre el estado del átomo. Si el átomo estaba no excitado, no pasa nada.

Energía de la medición cuántica

El resultado neto es que se ha extraído energía del proceso de medición cuántica. El motor produce dos fotones por ciclo, uno que se pierde y otro que se recupera. La diferencia entre las energías de los dos fotones es la energía generada por el motor.

Para entender mejor este desarrollo, podemos compararlo con el motor de un automóvil. El motor de un automóvil quema combustible para producir gases que empujan un pistón dentro de un cilindro. El pistón está conectado a una biela que hace girar un cigüeñal. El cigüeñal transmite la energía mecánica a las ruedas del automóvil.

Pistón y cilindro

El motor cuántico también tiene un pistón y un cilindro, pero son muy diferentes a los del motor convencional. El motor cuántico utiliza un átomo de helio-4 como pistón, y aprovecha su comportamiento bosónico para extraer energía de las mediciones cuánticas.

En el motor cuántico, el pistón es el átomo helio-4 y el cilindro es la cavidad óptica en la que está atrapado. El combustible es la luz láser que excita al átomo.

Los gases son los fotones que salen de la cavidad. La biela es un dispositivo óptico que convierte la energía luminosa en energía mecánica. El cigüeñal es otro dispositivo óptico que transmite la energía mecánica a una carga externa.

Experimento preliminar

Todo esto no deja de ser de momento una prueba de concepto (es decir, un experimento preliminar), por lo que no podemos concluir que pronto veremos la mecánica cuántica alimentando los motores de nuestros coches, aseguran los investigadores en un comunicado.

 "Si bien estos sistemas pueden ser muy eficientes, sólo hemos realizado una prueba de concepto junto con nuestros colaboradores experimentales", explica Keerthy Menon, uno de los protagonistas de este desarrollo. "Todavía quedan muchos desafíos en la construcción de un motor cuántico útil", añade.

El principal problema radica en que el calor puede destruir los efectos cuánticos si la temperatura sube demasiado, por lo que los investigadores deben mantener su sistema lo más frío posible.

Excelente eficiencia

Sin embargo, esto requiere una cantidad sustancial de energía para ejecutar el experimento a estas bajas temperaturas con el fin de proteger el sensible estado cuántico.  

En este experimento, los investigadores lograron una eficiencia máxima del 25%, pero el equipo dice que mejoras adicionales podrían elevarla por encima del 50%.

Esta estimación no incluye la energía que se necesita para enfriar los átomos y mantenerlos atrapados. Pero sí refleja la energía que se pone directamente en el gas y la energía que se podría extraer de él, explica al respecto la revista Physicsworld.

Supera al motor térmico

En cualquier caso, todo indica que el motor cuántico supera con creces los motores de combustión interna, la forma más común de motores térmicos que se utilizan en vehículos, barcos, aviones y trenes.

La diferencia principal entre los motores térmicos y los motores cuánticos es que los primeros dependen del calor y la entropía para generar energía, mientras que los segundos dependen del colapso y la información cuántica para generar energía.

Los motores térmicos están limitados por la eficiencia de Carnot, que es la máxima eficiencia posible para un motor que opera entre dos temperaturas. Los motores cuánticos no están sujetos a esta limitación, ya que no usan calor.

Aplicaciones

Aunque todavía no podemos pensar que los motores cuánticos impulsarán la próxima generación de motores, sería más factible que a medio plazo pudieran usarse para cargar baterías cuánticas o alimentar computadoras y sensores cuánticos.

Según el profesor Busch, este motor cuántico podría tener aplicaciones en campos como la computación cuántica, la metrología cuántica y la criptografía cuántica.

Además, podría ayudar a comprender mejor los fundamentos de la mecánica cuántica y su relación con la termodinámica.

Ingeniería cuántica

"La ingeniería está entrando en el mundo nano y, en algún momento, llegará la cuántica", afirma Artur Widera, físico de la Universidad de Kaiserslautern (Alemania) y líder de la colaboración, citado por Physicsworld. "Y será mejor que estemos preparados y sepamos qué está pasando y cómo podemos utilizarlo".

El estudio que relata este intrigante desarrollo fue publicado en la revista Nature y contó con la colaboración de investigadores de la Universidad Nacional de Irlanda Galway, la Universidad Nacional Autónoma de México y la Universidad Nacional de Singapur.

Referencia

A quantum engine in the BEC–BCS crossover. Jennifer Koch et al. Nature, volume 621, pages723–727 (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06469-8