Quantenkühlschrank ermöglicht ultrakalte Qubits
Ein schwedisch-amerikanisches Forschungsteam hat die Kühlung für supraleitende Quantencomputer durch einen Quantenkühlschrank verbessert.
Ein schwedisch-amerikanisches Forschungsteam hat die Kühlung für supraleitende Quantencomputer durch einen Quantenkühlschrank signifikant verbessert. Im Bild ist das quadratische Objekt in der Mitte des Qubits.
Foto: Chalmers University of Technology | Lovisa Håkansson
Quantencomputer auf Basis von Supraleitung benötigen extreme Kühlung, sie gelten aber unter den vielen Möglichkeiten einen Quantencomputer zu bauen, auch als ein sehr erfolgversprechender Ansatz. Ob IBM oder Google – sie setzen auf Supraleitung. Auch das deutsche Projekt GeQCoS (German Quantum Computer based on Superconducting Qubits) setzt auf diese Technik, um einen Quantenprozessor made in Germany zu entwickeln.
Das größte Problem dabei ist die Kühlung. Je kälter, desto besser funktionieren die Qubits. Wirds zu warm, schleichen sich mehr und mehr Fehler ein. Aamir Ali, Forschungsspezialist für Quantentechnologie am 202Q-Lab an der schwedischen Chalmers University of Technology, bezeichnet Qubits als „überempfindlich“ gegenüber ihrer Umgebung: „Selbst extrem schwache elektromagnetische Störungen, die in den Computer eindringen, könnten den Wert des Qubits zufällig verändern, was zu Fehlern führt – und in der Folge die Quantenberechnung behindert.“ Ein Team des 202Q-Lab und eines der University of Maryland (USA) haben jetzt einen autonomen „Quantenkühlschrank“ entwickelt. Dieses System kühlt die Qubits ohne externe Steuerung auf 22 °mK (Millikelvin) ab, und könnte ein Ansatz für eine fehlerfreie Quantenberechnungen sein.
Wie ein Quantenkühlschrank funktioniert
Die heute verwendeten Kühlsysteme für supraleitende Qubits bringen die quantenmechanischen Recheneinheiten auf etwa 50 °mK über dem absoluten Nullpunkt. Je tiefer es werden soll, desto höher ist der Aufwand: Der absolute thermische Nullpunkt, 0 °K, ist nicht erreichbar. „Der Quantenkühlschrank basiert auf supraleitenden Schaltkreisen und wird durch Wärme aus der Umgebung gespeist“, so Ali, Hauptautor der Studie.
Der „wärmebetriebene Quantenkühlschrank“, so der Titel der Studie, nutzt eine künstliche Dreikörper-Wechselwirkung. Auf der einen Seite ist es das Ziel-Qubit, das es zu kühlen gilt; auf der anderen Seite sind es zwei Hilfs-Qubits, in diesem Fall zwei Qudits oder Quantenregister (s. Kasten). Jedes dieser Qudits ist mit einem physikalischen Wärmebad gekoppelt, das mit einem Mikrowellenwellenleiter realisiert ist, der mit synthetischer quasithermischer Strahlung bestückt ist. Wärmebäder sind im Sprachjargon der Physik Wärmequellen, deren Wärmekapazität so groß ist, dass sich ihre Temperaturen so gut wie nicht ändern, wenn man sie anzapft. Das ist bei physikalischen Betrachtungen wichtig, weil sie dann als unendlich große Wärmereservoirs angenommen werden können, was manche physikalische Betrachtung vereinfacht.
Der Quantenkühlschrank nutzt jetzt den Wärmefluss zwischen den speziell konstruierten Wärmebädern aus, um überschüssige Energie aus einem Ziel-Qubit zu entfernen. Die Mikrowellenleiter lassen sich thermisch exakt steuern und halten so das Ziel-Qubit in seinem energieärmsten Zustand – dem Grundzustand. Das ist die entscheidende Voraussetzung für exakte, fehlerfreie Berechnungen im Quantencomputer.
Wie viel besser ist der Quantenkühlschrank aus Schweden als bisherige Systeme?
„Mit dieser Methode konnten wir die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Qubit vor der Berechnung im Grundzustand befindet, auf 99,97 % erhöhen“, erklärt Ali. Das sei deutlich besser als übliche Wahrscheinlichkeiten, die bei 99,8 % und 99,92 % lägen. Das mag für Laien nur wie ein kleiner Unterschied erscheinen, „aber wenn man mehrere Berechnungen durchführt, ergibt sich daraus ein großer Leistungsschub für die Effizienz von Quantencomputern“, so Ali.
„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 Quantenkühlschranks, das kalt ist. Dieses kalte Qubit wird zu einer kalten Umgebung thermisiert, in die die Wärme des Ziel-Qubits schließlich abgeleitet wird“, sagt Nicole Yunger Halpern, Physikerin am National Institute of Standards and Technology (Nist) und außerordentliche Assistenzprofessorin für Physik an der Universität von Maryland, USA.
Das System sei insofern autonom, als dass es, sobald es einmal gestartet sei, ohne externe Steuerung arbeite und durch die Wärme angetrieben werde, die auf natürliche Weise durch den Temperaturunterschied zwischen den Wärmebädern entstehe, heißt es in der Mitteilung der Chalmers University of Technology. „Unsere Arbeit ist wohl die erste Demonstration einer autonomen Quanten-Thermomaschine, die eine praktisch nützliche Aufgabe ausführt“, sagt Simone Gasparinetti, Leiter des 202Q-Labs.
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