Quantencomputer benötigen eine extreme Kühlung, um zuverlässige Berechnungen durchführen zu können. Eine der Herausforderungen, die Quantencomputer davon abhält, in die Gesellschaft einzudringen, ist die Schwierigkeit, die Qubits auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt einzufrieren. Jetzt haben Forscher der Chalmers University of Technology (Schweden) und der University of Maryland (USA) einen neuen Kühlschranktyp entwickelt, der supraleitende Qubits autonom kühlen kann, um niedrige Temperaturen aufzuzeichnen, und so den Weg für zuverlässigere Quantenberechnungen ebnet.
Quantencomputer haben das Potenzial, grundlegende Technologien in verschiedenen Bereichen der Gesellschaft zu revolutionieren, mit Anwendungen in der Medizin, Energie, Verschlüsselung, KI und Logistik. Während die Bausteine eines klassischen Computers – Bits – den Wert 0 oder 1 annehmen können, können die häufigsten Bausteine in Quantencomputern – Qubits – gleichzeitig den Wert 0 und 1 haben. Das Phänomen wird Superposition genannt und ist einer der Gründe, warum ein Quantencomputer parallele Berechnungen durchführen kann, was zu einem enormen Rechenpotenzial führt. Allerdings ist die Zeit, die ein Quantencomputer an einer Berechnung arbeiten kann, immer noch erheblich begrenzt, da er viel Zeit damit verbringt, Fehler zu korrigieren.
„Qubits, die Bausteine eines Quantencomputers, reagieren überempfindlich auf ihre Umgebung. Selbst extrem schwache elektromagnetische Interferenzen, die in den Computer eindringen, könnten den Wert des Qubits zufällig umdrehen, Fehler verursachen – und anschließend die Quantenberechnung behindern“, sagt Aamir Ali, Forschungsspezialist für Quantentechnologie an der Chalmers University of Technology.
Zeigt rekordtiefe Temperaturen
Heutzutage basieren viele Quantencomputer auf supraleitenden Stromkreisen, die keinen Widerstand haben und daher Informationen sehr gut speichern. Damit Qubits in einem solchen System fehlerfrei und über längere Zeiträume funktionieren, müssen sie auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, was minus 273,15 Grad Celsius oder null Kelvin, der wissenschaftlichen Einheit der Temperatur, entspricht. Die extreme Kälte versetzt die Qubits in ihren Zustand mit der niedrigsten Energie, den Grundzustand, der dem Wert 0 entspricht und eine Voraussetzung für den Beginn einer Berechnung ist.
Die heute verwendeten Kühlsysteme, sogenannte Verdünnungskühlschränke, bringen die Qubits auf etwa 50 Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt. Je näher ein System dem absoluten Nullpunkt kommt, desto schwieriger ist eine weitere Kühlung. Tatsächlich kann nach den Gesetzen der Thermodynamik kein endlicher Prozess ein System auf den absoluten Nullpunkt abkühlen. Jetzt haben die Forscher der Chalmers University of Technology und der University of Maryland einen neuen Typ eines Quantenkühlschranks konstruiert, der den Verdünnungskühlschrank ergänzen und supraleitende Qubits autonom auf rekordtiefe Temperaturen kühlen kann. Der Quantenkühlschrank wird in einem Artikel in der Zeitschrift beschrieben Naturphysik.
„Der Quantenkühlschrank basiert auf supraleitenden Schaltkreisen und wird durch Wärme aus der Umgebung angetrieben. Er kann das Ziel-Qubit ohne externe Steuerung auf 22 Millikelvin abkühlen. Dies ebnet den Weg für zuverlässigere und fehlerfreie Quantenberechnungen, die weniger Hardware-Überlastung erfordern.“ „, sagt Aamir Ali, Hauptautor der Studie und fährt fort:
„Mit dieser Methode konnten wir die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Qubit vor der Berechnung im Grundzustand befindet, auf 99,97 Prozent erhöhen, was deutlich besser ist als das, was frühere Techniken erreichen konnten, nämlich zwischen 99,8 und 99,92 Prozent. Das mag scheinen Wie ein kleiner Unterschied, aber bei der Durchführung mehrerer Berechnungen führt dies zu einer erheblichen Leistungssteigerung der Effizienz von Quantencomputern.“
Natürlich angetrieben durch die Umwelt
Der Kühlschrank nutzt Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Qubits, konkret zwischen dem zu kühlenden Ziel-Qubit und zwei zur Kühlung verwendeten Quantenbits. Neben einem der Qubits wird eine warme Umgebung geschaffen, die als heißes Thermalbad dient. Das heiße Thermalbad gibt Energie an eines der supraleitenden Qubits des Quantenkühlschranks ab und versorgt den Quantenkühlschrank mit Strom.
„Energie aus der thermischen Umgebung, die durch eines der beiden Qubits des Quantenkühlschranks geleitet wird, pumpt Wärme vom Ziel-Qubit in das zweite Qubit des Quanten-Kühlschranks, das kalt ist. Dieses kalte Qubit wird in eine kalte Umgebung thermisch umgewandelt, in die die Wärme des Ziel-Qubits gelangt wird letztendlich entsorgt“, sagt Nicole Yunger Halpern, NIST-Physikerin und außerordentliche Assistenzprofessorin für Physik und IPST an der University of Maryland, USA.
Das System ist autonom, da es nach dem Start ohne externe Steuerung arbeitet und von der Wärme gespeist wird, die auf natürliche Weise durch den Temperaturunterschied zwischen zwei Thermalbädern entsteht.
„Unsere Arbeit ist wohl die erste Demonstration einer autonomen Quantenthermomaschine, die eine praktisch nützliche Aufgabe ausführt. Ursprünglich hatten wir dieses Experiment als Proof of Concept gedacht und waren daher angenehm überrascht, als wir herausfanden, dass die Leistung der Maschine alle vorhandenen Resets übertrifft.“ Protokolle zum Abkühlen des Qubits auf rekordtiefe Temperaturen“, sagt Simone Gasparinetti, außerordentliche Professorin an der Chalmers University of Technology und Hauptautorin der Studie.
