Quantencomputing stellt einen Wendepunkt in der technologischen Entwicklung dar und verspricht, die Art und Weise, wie wir komplexe Daten verarbeiten, radikal zu verändern. Allerdings bleibt ein großes Hindernis bestehen: die Notwendigkeit, Qubits auf extrem niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Eine Lösung für dieses technische Problem könnte ein Forscherteam mit einem neuartigen Quantenkühlschrank gefunden haben.
Quantencomputer benötigen eine extreme Kühlung, um zuverlässige Berechnungen durchführen zu können. Qubits, ihre Grundelemente, müssen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, um Berechnungsfehler zu vermeiden. Dieser Bedarf an intensiver Kühlung stellte ein großes Hindernis für die Integration dieser Maschinen in die Gesellschaft dar. Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden und der University of Maryland in den Vereinigten Staaten haben einen innovativen Kühlschrank entwickelt, der supraleitende Qubits autonom auf Rekordtemperaturen kühlen kann.
Die Vorteile von Quantencomputern
Quantencomputer haben ein enormes Potenzial, verschiedene Sektoren wie Medizin, Energie, Verschlüsselung, künstliche Intelligenz und Logistik zu verändern. Im Gegensatz zu Bits in klassischen Computern, die entweder 0 oder 1 aufzeichnen, können Qubits dank der Funktion beide Werte gleichzeitig darstellen Überlagerung. Diese Funktion ermöglicht es Quantencomputern, Berechnungen parallel durchzuführen und so ihre Rechenleistung exponentiell zu steigern. Allerdings ist die Zeitspanne, die ein Quantencomputer Berechnungen durchführen kann, durch die Zeit begrenzt, die zur Korrektur von Fehlern benötigt wird.
« Qubits, Bestandteile des Quantencomputers, reagieren äußerst empfindlich auf ihre Umgebung. Selbst sehr schwache elektromagnetische Störungen können den Wert des Qubits zufällig verändern, was zu Fehlern führt und die Quantenberechnung behindert. “, erklärte Aamir Ali, ein Spezialist für Quantentechnologieforschung an der Chalmers University of Technology.
Kühlung bei Rekordtemperaturen
Derzeit nutzen viele Quantencomputer supraleitende elektrische Schaltkreise, um den Widerstand zu minimieren und Informationen zu speichern. Um über einen längeren Zeitraum fehlerfrei zu funktionieren, müssen die Qubits auf etwa minus 273,15 Grad Celsius oder null Kelvin gekühlt werden, die tiefste theoretisch mögliche Temperatur. Aktuelle Kühlsysteme, sogenannte Verdünnungskühlschränke, bringen Qubits auf etwa 50 Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt. Nach den Gesetzen der Thermodynamik ist es jedoch unmöglich, den absoluten Nullpunkt durch einen endlichen Prozess zu erreichen.
Forscher haben einen neuartigen Quantenkühlschrank entwickelt, der Verdünnungskühlschränke ergänzt und es ermöglicht, supraleitende Qubits autonom auf noch niedrigere Temperaturen, 22 Millikelvin, abzukühlen.
« Der Quantenkühlschrank basiert auf supraleitenden Schaltkreisen und wird durch Wärme aus der Umgebung angetrieben. Es kann das Ziel-Qubit ohne externe Steuerung auf 22 Millikelvin abkühlen. Dies ebnet den Weg für zuverlässigere und weniger fehleranfällige Quantenberechnungen “, fügte Aamir Ali, Hauptautor der Studie, hinzu.
Wie der Quantenkühlschrank funktioniert
Der Kühlschrank nutzt die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Qubits, insbesondere zwischen dem zu kühlenden Qubit und zwei weiteren zur Kühlung genutzten Qubits. Neben einem der Qubits entsteht eine heiße Umgebung, die als heißes Thermalbad dient. Dieses Thermalbad überträgt Energie auf eines der Qubits im Quantenkühlschrank und aktiviert so das Kühlsystem.
« Energie aus der thermischen Umgebung, die durch eines der Qubits des Quantenkühlschranks geleitet wird, entzieht dem Ziel-Qubit Wärme an das zweite Qubit des Kühlschranks, das kalt ist. Dieses letzte Qubit wird dann durch eine kalte Umgebung gekühlt, wo die Wärme des Ziel-Qubits letztendlich abgeführt wird “, sagte Nicole Yunger Halpern, Physikerin am NIST und Assistenzprofessorin an der University of Maryland.
Das System arbeitet autonom, ohne dass eine externe Steuerung erforderlich ist, angetrieben durch die Temperaturdifferenz zwischen zwei Thermalbädern.
« Unsere Arbeit ist wahrscheinlich die erste Demonstration einer autonomen Quantenthermomaschine, die eine nützliche Aufgabe erfüllt. Ursprünglich als Proof-of-Concept konzipiert, waren wir angenehm überrascht von der Leistung der Maschine, die alle bestehenden Reset-Protokolle übertrifft, um das Qubit auf Rekordtemperaturen abzukühlen „, schloss Simone Gasparinetti, außerordentliche Professorin an der Chalmers University of Technology und Co-Hauptautorin der Studie.
Bildunterschrift: Der neue Quantenkühlschrank – das quadratische Objekt in der Mitte des Qubits im Bild – basiert auf supraleitenden Schaltkreisen und wird durch Wärme aus der Umgebung angetrieben. Es kann Qubits autonom auf extrem niedrige Temperaturen kühlen und ebnet so den Weg für zuverlässigere Quantencomputer. Das Gerät wurde im Nanofabrikationslabor Myfab an der Technischen Universität Chalmers, Schweden, hergestellt. Bildnachweis:Chalmers University of Technology | Lovisa Håkansson
Artikel: „Thermisch angetriebener Quantenkühlschrank setzt ein supraleitendes Qubit autonom zurück“ / (10.1038/s41567-024-02708-5) – Chalmers University of Technology – Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature Physics
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