Refrigeración Criogénica 2026: Enfriar a -273

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📅 Última actualización: marzo de 2026. Contenido revisado y verificado.

Por qué el frío extremo es imprescindible para la computación cuántica

La razón por la que los ordenadores cuánticos superconductores necesitan temperaturas tan extremas se reduce a una competición entre dos escalas de energía: la energía del qubit y la energía térmica del entorno.

Un qubit superconductor opera a frecuencias de entre cuatro y ocho gigahercios, lo que corresponde a una energía de apenas unas pocas centésimas de milielectronvoltios. Esta es la energía que separa los estados cero y uno del qubit, la diferencia que permite almacenar información cuántica. Para que el qubit funcione, esta energía debe ser mucho mayor que el ruido térmico del entorno.

A temperatura ambiente, unos trescientos kelvins, la energía térmica es del orden de veinticinco milielectronvoltios, más de mil veces mayor que la energía del qubit. El entorno bombardea al qubit con excitaciones térmicas que destruyen su superposición y entrelazamiento en nanosegundos. La decoherencia sería instantánea y la computación cuántica imposible.

A quince milikelvins, la energía térmica cae a menos de una millonésima de milielectronvoltio, órdenes de magnitud por debajo de la energía del qubit. En estas condiciones, las excitaciones térmicas son tan raras que el qubit puede mantener su coherencia durante cientos de microsegundos, tiempo suficiente para ejecutar miles de puertas cuánticas.

El cero absoluto: el límite final de la temperatura

El cero absoluto, 0 kelvins o -273,15 grados Celsius, es el límite inferior teórico de la temperatura. A esta temperatura, la materia estaría en su estado de mínima energía posible, con todo movimiento térmico cesado por completo. Es un límite que la termodinámica prohíbe alcanzar exactamente, pero al que se puede acercar de forma asintótica.

Los quince milikelvins a los que operan los procesadores cuánticos superconductores están a solo 0,015 grados del cero absoluto. Para poner esto en perspectiva, el espacio exterior, la región más fría del universo observable lejos de cualquier fuente de calor, tiene una temperatura de unos 2,7 kelvins, la radiación cósmica de fondo. Los ordenadores cuánticos son, literalmente, los objetos más fríos del universo conocido.

Alcanzar estas temperaturas requiere una ingeniería extraordinaria. No existe un solo paso de enfriamiento que lleve de temperatura ambiente a milikelvins. Se necesitan múltiples etapas sucesivas, cada una utilizando un principio físico diferente, organizadas en un sistema integrado que funciona continuamente las veinticuatro horas del día mientras el ordenador cuántico está operativo.

Cómo funciona un refrigerador de dilución paso a paso

El refrigerador de dilución es el equipo que realiza el enfriamiento final, de unos cuatro kelvins hasta milikelvins. Su principio de funcionamiento se basa en una propiedad peculiar de la mecánica cuántica: cuando el helio-3, un isótopo raro del helio, se mezcla con helio-4, el isótopo común, en un proceso controlado a bajas temperaturas, absorbe calor del entorno.

A temperaturas por debajo de 0,87 kelvins, una mezcla de helio-3 y helio-4 se separa espontáneamente en dos fases: una fase concentrada, rica en helio-3, y una fase diluida, rica en helio-4 pero con algo de helio-3 disuelto. La concentración de helio-3 en la fase diluida se mantiene constante en aproximadamente un seis y medio por ciento, independientemente de la temperatura.

El enfriamiento se produce cuando átomos de helio-3 cruzan de la fase concentrada a la fase diluida, un proceso análogo a la evaporación de un líquido. Al cruzar, cada átomo de helio-3 absorbe una cantidad de energía del entorno, enfriándolo. El helio-3 en la fase diluida se bombea de vuelta a la fase concentrada mediante un sistema de circulación, completando un ciclo continuo de enfriamiento.

Este proceso es extraordinariamente eficiente a temperaturas muy bajas. A diez milikelvins, la potencia de enfriamiento es pequeña en términos absolutos, del orden de microwatios, pero suficiente para compensar el calor residual que llega al chip cuántico a través del cableado y la radiación.

Las etapas de enfriamiento: de temperatura ambiente a milikelvins

El camino de temperatura ambiente a quince milikelvins se recorre en cuatro a seis etapas, cada una utilizando un principio físico diferente y un rango de temperatura específico.

La primera etapa utiliza pulsos de helio-4 comprimido o un compresor mecánico tipo Gifford-McMahon para enfriar desde temperatura ambiente hasta unos cuatro kelvins, la temperatura del helio líquido. Esta etapa elimina la mayor parte de la energía térmica del sistema y consume la mayor parte de la electricidad del refrigerador.

La segunda etapa, llamada etapa de pulso tubular o pulse tube, lleva de cuatro kelvins a aproximadamente 0,7-1 kelvin utilizando expansión de gas en un tubo resonante. Esta etapa es mecánicamente robusta y no tiene partes móviles en contacto con el gas frío.

A partir de aquí entra el sistema de dilución propiamente dicho. La cámara de mezcla, donde la fase concentrada de helio-3 coexiste con la fase diluida, es el punto más frío del refrigerador. Aquí se alcanzan los quince milikelvins que necesitan los qubits superconductores.

Cada etapa está separada físicamente por escudos de radiación que bloquean el calor radiante de las etapas más calientes. Las conexiones mecánicas entre etapas se realizan con materiales de baja conductividad térmica para minimizar la fuga de calor. El diseño completo es una obra maestra de la ingeniería térmica.

Tabla: temperaturas en cada etapa del refrigerador criogénico

El cableado: conectar el chip cuántico con el mundo exterior

Uno de los desafíos más complejos de la refrigeración cuántica es conectar el chip a quince milikelvins con la electrónica de control a temperatura ambiente. Cada qubit necesita múltiples líneas de señal para control y lectura, lo que significa que un procesador de cien qubits puede requerir cientos de cables coaxiales atravesando las seis etapas de temperatura del refrigerador.

Cada cable es simultáneamente un canal de comunicación y un camino por el que el calor puede fluir hacia las etapas frías. Los ingenieros utilizan cables de materiales con baja conductividad térmica, como acero inoxidable y cuproníquel, para las etapas más calientes, y cables superconductores de niobio para las etapas más frías, donde la resistencia eléctrica cero evita la generación de calor por efecto Joule.

En cada etapa de temperatura, los cables pasan por atenuadores que reducen la intensidad de las señales de microondas que llegan de la electrónica a temperatura ambiente. Estos atenuadores son necesarios porque el ruido térmico a trescientos kelvins es demasiado intenso para los qubits. Típicamente se añaden veinte decibelios de atenuación en cada etapa, lo que reduce el ruido por un factor de cien en cada paso.

La lectura de los qubits requiere amplificadores de muy bajo ruido, los llamados amplificadores HEMT o amplificadores paramétricos cuánticos, ubicados en la etapa de cuatro kelvins. Estos amplificadores capturan las señales extremadamente débiles que salen del chip cuántico y las amplifican hasta un nivel detectable por la electrónica convencional.

Bluefors y Oxford Instruments: los fabricantes del frío cuántico

El mercado de refrigeradores de dilución para computación cuántica está dominado por dos empresas europeas: Bluefors, con sede en Helsinki (Finlandia), y Oxford Instruments, con sede en Abingdon (Reino Unido).

Bluefors es el líder del mercado y el proveedor principal de IBM, Google y la mayoría de laboratorios cuánticos del mundo. Su modelo LD (Large Dilution) puede acomodar chips cuánticos de hasta cincuenta centímetros de diámetro y ofrece temperaturas base de menos de diez milikelvins con una potencia de enfriamiento de más de veinte microwatios a veinte milikelvins.

Oxford Instruments, con una trayectoria más larga en criogenia científica, ofrece modelos competitivos con su serie Triton. Son especialmente fuertes en el mercado académico y en Asia, donde tienen una presencia significativa.

Ambas empresas han visto crecer su demanda exponencialmente con la explosión de la computación cuántica. Los tiempos de espera para un refrigerador nuevo pueden superar los doce meses, y los precios han subido significativamente. Esta situación ha atraído a nuevos competidores como FormFactor (anteriormente ICE Oxford) y startups como CoolStar, aunque Bluefors y Oxford mantienen una cuota de mercado combinada superior al ochenta por ciento.

Coste y consumo energético de la refrigeración cuántica

El coste de un refrigerador de dilución para computación cuántica oscila entre quinientos mil euros para modelos básicos y más de dos millones para sistemas de gran capacidad con cableado completo e integración con la electrónica de control. A esto hay que añadir el coste de instalación, que requiere una infraestructura específica incluyendo suministro de gas comprimido, refrigeración por agua y control de vibraciones.

El consumo eléctrico es continuo y significativo. Los compresores del pulse tube consumen entre veinticinco y treinta kilovatios de electricidad de forma permanente. Esto se traduce en un gasto energético anual de entre ciento cincuenta y doscientos cincuenta megavatios-hora por refrigerador, con un coste eléctrico de entre quince mil y veinticinco mil euros anuales a precios europeos.

Para ponerlo en perspectiva, un centro de computación cuántica con diez refrigeradores consumiría entre 250 y 300 kilovatios, comparable a un pequeño centro de datos clásico. A medida que los procesadores cuánticos crezcan en tamaño y se necesiten más refrigeradores, el consumo energético de la refrigeración será un factor cada vez más relevante.

El helio-3 utilizado en el proceso de dilución es un recurso escaso y caro. Cada refrigerador necesita entre treinta y cincuenta litros de mezcla He-3/He-4, y el helio-3 se produce principalmente como subproducto del mantenimiento de armas nucleares. El precio del helio-3 ha fluctuado entre mil y tres mil euros por litro, añadiendo entre treinta mil y ciento cincuenta mil euros al coste inicial del sistema.

La refrigeración como cuello de botella para la escalabilidad

La refrigeración criogénica es uno de los principales cuellos de botella para escalar los ordenadores cuánticos superconductores a millones de qubits. El problema no es solo el coste, sino las limitaciones físicas del enfriamiento.

Cada cable que entra al refrigerador trae una pequeña cantidad de calor. Con cientos de cables para cien qubits, la carga térmica ya es significativa. Para un millón de qubits, se necesitarían millones de cables con una carga térmica que superaría la capacidad de enfriamiento de cualquier refrigerador actual.

IBM está abordando este problema con su enfoque modular: en lugar de poner todos los qubits en un solo refrigerador, interconectar múltiples módulos más pequeños. Cada módulo tendría su propio refrigerador con un número manejable de qubits, y los módulos se comunicarían mediante enlaces clásicos o cuánticos.

Otra línea de investigación es desarrollar electrónica criogénica de control que pueda operar a temperaturas de cuatro kelvins o menos, reduciendo el número de cables que necesitan llegar a temperatura ambiente. Intel y Microsoft están invirtiendo en este tipo de chips, llamados cryo-CMOS, que integran la electrónica de control cerca del procesador cuántico dentro del refrigerador.

Alternativas y futuro: ¿ordenadores cuánticos sin refrigeración?

No todas las tecnologías de qubits necesitan refrigeración criogénica extrema. Los iones atrapados operan en cámaras de vacío a temperatura ambiente con enfriamiento láser. Los qubits fotónicos funcionan a temperatura ambiente o con enfriamiento moderado. Los átomos neutros usan enfriamiento láser en vacío. Solo los superconductores y, en menor medida, ciertos tipos de qubits semiconductores necesitan milikelvins.

Esta diferencia es un argumento significativo a favor de las plataformas no superconductoras. Un ordenador cuántico que no necesita un refrigerador de dilución de tres metros de altura y dos millones de euros podría ser más compacto, más barato, más fácil de mantener y más sencillo de escalar. Es una de las razones por las que tecnologías como los iones atrapados de IonQ y los átomos neutros de QuEra están ganando atención.

Sin embargo, los superconductores tienen la ventaja de la velocidad de operación, la madurez del ecosistema y la inversión acumulada. IBM y Google no van a abandonar los superconductores por la dificultad de la refrigeración. En su lugar, están invirtiendo en hacer la refrigeración más eficiente, más compacta y más escalable.

El futuro probablemente verá una coexistencia de plataformas, donde los superconductores dominarán en centros de datos cuánticos de gran escala con infraestructura criogénica dedicada, mientras que las plataformas sin refrigeración extrema serán preferidas para aplicaciones distribuidas, redes cuánticas y acceso de campo.

Preguntas frecuentes

¿Por qué los ordenadores cuánticos necesitan temperaturas tan extremas?

Para que la energía térmica del entorno sea insignificante comparada con la energía del qubit. A quince milikelvins, el ruido térmico es un millón de veces menor que la señal del qubit.

¿Qué es un refrigerador de dilución?

Un equipo que enfría a milikelvins aprovechando las propiedades cuánticas de una mezcla de helio-3 y helio-4. Cuando el helio-3 se diluye en helio-4, absorbe energía del entorno.

¿Cuánto cuesta?

Entre quinientos mil y dos millones de euros, más entre veinticinco y treinta kilovatios de consumo eléctrico continuo. Los fabricantes principales son Bluefors y Oxford Instruments.

¿Todos los ordenadores cuánticos lo necesitan?

No. Solo los superconductores. Los iones atrapados, fotónicos y átomos neutros funcionan sin refrigeración criogénica extrema.

¿Por qué son tan grandes?

El chip mide centímetros, pero el refrigerador de dilución con todas sus etapas, cableado, filtros y amplificadores puede medir más de tres metros y pesar toneladas.

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