Hitze und Rauschen, eigentlich die größten Probleme des Quantencomputings, sind diesmal zur Lösung selbst geworden. Forscher der Technischen Universität Chalmers in Schweden haben eine neue Methode entwickelt, die Zufälligkeit über Mikrowellensignale kontrolliert nutzt, um Quantensysteme zu kühlen.
Quantencomputer versprechen theoretisch eine Rechenleistung, die klassische Computer niemals erreichen könnten. Das größte Hindernis für dieses Potenzial ist jedoch die extrem empfindliche Natur der Qubits. Die kleinste Vibration oder eine vernachlässigbare Wärmeschwankung kann Quanteninformationen zerstören. Deshalb versuchen Forscher seit Jahren, das Rauschen vollständig zu eliminieren.
In der Fachzeitschrift Nature Communications stellte das Team ein System vor, das als „minimaler Quantenkühlschrank“ bezeichnet wird. Dieses System kühlt die zielgerichtete Quantenkomponente, indem es Wärme von einem Bereich aufnimmt und kontrolliert in eine andere Richtung transportiert – ähnlich wie ein klassischer Kühlschrank, aber auf mikroskopischer Ebene und mithilfe von Mikrowellenrauschen. Zufälligkeit ist hier also kein Problem, sondern dient als kontrolliertes Werkzeug.
Künstliches Molekül im Zentrum des Experiments
Im Zentrum des Experiments steht ein supraleitendes „künstliches Molekül“, das nicht aus Atomen, sondern aus elektronischen Schaltkreisen besteht. Wie bei natürlichen Molekülen tauscht diese Struktur Energie über zwei separate Mikrowellenkanäle aus. Diese Kanäle fungieren als zwei verschiedene Reservoirs – eines warm, das andere kalt.
Wenn die Forscher über einen dritten Kanal zufällige Signalschwankungen in einem bestimmten Frequenzband in das System injizieren, fungiert dieses Rauschen als Schalter, der den Wärmetransport einleitet und reguliert. Durch die bewusste Gestaltung des Rauschspektrums können Wärmeströme im Attowatt-Bereich sowohl gemessen als auch gesteuert werden.
Um dies zu veranschaulichen: Wenn man versuchen würde, einen Tropfen Wasser mit einem so geringen Wärmestrom zu erhitzen, müsste man länger als das Alter des Universums warten, um die Temperatur um nur 1 Grad Celsius zu erhöhen.
Diese Idee basiert auf dem Konzept der Brownschen Kühlung, das theoretisch schon lange bekannt ist. Der Theorie nach können zufällige Bewegungen unter den richtigen Bedingungen einen gerichteten Kühleffekt erzeugen. Simone Gasparinetti, Hauptautor der Studie, erklärt, dass das entwickelte System die bisher vollständigste experimentelle Umsetzung dieser Theorie sei. Indem dem Rauschen eine konstruktive Rolle zugewiesen wird, kann ein thermodynamisches Gleichgewicht auf extrem kleinen Skalen erreicht werden, bei denen klassische kryogene Kühlung versagt.
Quantenprozessoren nahe dem absoluten Nullpunkt
Supraleitende Quantenprozessoren müssen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von etwa -273 °C betrieben werden. Unter diesen Bedingungen bewegen sich Elektronen widerstandslos, und verschränkte Zustände können entstehen. Trotz dieser extrem niedrigen Temperaturen bleibt Wärme einer der hartnäckigsten Feinde des Quantencomputings.
Besonders in großskaligen Architekturen nimmt die Zahl potenzieller Wärme- und Rauschquellen rapide zu. Dies zeigt, dass eine rein externe Kühlung nicht ausreicht und eine lokale Wärmekontrolle innerhalb der Schaltkreise erforderlich ist.
Der entwickelte minimale Quantenkühlschrank ist nicht auf die Kühlfunktion beschränkt. Je nach Einstellung der Reservoirs kann das System auch als Wärmekraftmaschine oder Verstärker fungieren. Diese Vielseitigkeit könnte in Zukunft eine entscheidende Rolle beim Design modularer Quantenkomponenten spielen.
