Chaos unter Kontrolle: Forscher kühlen Qubits mit Rauschen
Forschende nutzen gezielt Rauschen, um Quantenchips zu kühlen. Ein neuer Ansatz steuert Wärme auf extrem kleinen Skalen.
Zwei Mikrowellenkanäle fungieren als Wärme- und Kältereservoirs, die durch einen rötlichen bzw. bläulichen Schimmer hervorgehoben werden. Die Wärmereservoirs sind mit einem künstlichen Molekül gekoppelt, das aus zwei Qubits besteht. Kontrolliertes Mikrowellenrauschen (weiße Pfeile) wird über die seitlichen Anschlüsse eingespeist, um den Wärmetransport anzutreiben und zu regulieren.
Foto: Simon Sundelin
Quantencomputer versprechen Lösungen für Probleme, an denen selbst Supercomputer scheitern. Doch bevor sie alltagstauglich werden, steht eine grundlegende Hürde im Weg: Wärme. Schon minimale Störungen reichen aus, um die empfindlichen Quantenzustände zu zerstören. Forschende an der Chalmers University of Technology schlagen nun einen anderen Kurs ein. Sie versuchen nicht mehr, Rauschen vollständig zu unterdrücken. Sie machen es sich zunutze.
Inhaltsverzeichnis
Warum Kälte über Erfolg oder Misserfolg entscheidet
Quantenchips auf Basis supraleitender Schaltkreise funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt bei etwa −273 °C. Erst dann bewegen sich Elektronen ohne elektrischen Widerstand. Qubits können stabile Zustände annehmen.
Das Problem: Mit jedem zusätzlichen Bauteil wächst die Wärmebelastung. Steuerleitungen, Messsignale und Ausleseelektronik bringen Energie ins System. Klassische Kühlsysteme halten zwar den gesamten Chip kalt, stoßen aber an ihre Grenzen, wenn Wärme lokal entsteht.
„Viele Quantengeräte sind letztlich durch die Art und Weise begrenzt, wie Energie transportiert und abgeleitet wird. Wenn wir diese Wege verstehen und messen können, können wir Quantengeräte entwickeln, in denen Wärmeflüsse vorhersehbar, kontrollierbar und sogar nützlich sind“, sagt Simon Sundelin, Doktorand an der Chalmers University of Technology und Hauptautor der Studie.
Ein Perspektivwechsel: Rauschen als Werkzeug
Die neue Arbeit, veröffentlicht in Nature Communications, greift eine Idee auf, die Physikerinnen und Physiker seit Jahrzehnten beschäftigt: Brownsche Kühlung. Dahinter steckt der Gedanke, zufällige thermische Schwankungen so zu lenken, dass sie netto kühlen, statt zu stören.
Was lange theoretisch blieb, zeigt das Team nun experimentell. „Physiker spekulieren seit langem über ein Phänomen namens Brownsche Kühlung, also die Idee, dass zufällige thermische Schwankungen genutzt werden könnten, um einen Kühleffekt zu erzielen. Unsere Arbeit stellt die bislang realistischste Umsetzung dieses Konzepts dar“, sagt Simone Gasparinetti, außerordentlicher Professor an der Chalmers University of Technology und leitender Autor der Studie.
Ein künstliches Molekül übernimmt die Arbeit
Im Zentrum des Aufbaus steht ein sogenanntes künstliches Molekül. Es wird im Nanofabrikationslabor hergestellt und besteht aus winzigen supraleitenden Schaltkreisen. In seinem Verhalten ähnelt es echten Molekülen mit klar definierten Energieniveaus.
Zwei Mikrowellenleitungen wirken dabei wie Wärme- und Kältereservoirs. Ein dritter Anschluss speist gezielt Mikrowellenrauschen ein. Dieses Rauschen ist kein Nebeneffekt, sondern der Motor des Systems. Erst durch die zufälligen Signale koppeln sich die beiden Reservoirs. Wärme kann fließen – kontrolliert und messbar.
„Die beiden Mikrowellenkanäle dienen als Wärme- und Kältereservoirs, aber der entscheidende Punkt ist, dass sie nur dann effektiv miteinander verbunden sind, wenn wir kontrollierte Rauschsignale über einen dritten Anschluss einspeisen“, erklärt Sundelin. „Wir konnten extrem kleine Wärmeströme messen, bis hinunter zu Leistungen in der Größenordnung von Attowatt oder 10⁻¹⁸ Watt.“
Um diese Größenordnung einzuordnen: Mit einem solchen Wärmestrom würde sich ein einzelner Wassertropfen erst nach dem Alter des Universums um 1 °C erwärmen.
Mehr als Kühlen: ein flexibles Energiesystem
Der Quantenkühlschrank kann unterschiedlich arbeiten. Je nach Einstellung fungiert er als Kühleinheit, als Wärmekraftmaschine oder als Verstärker für thermische Ströme. Gerade für größere Quantenchips ist das interessant. Denn dort entsteht Wärme oft punktuell, etwa beim Auslesen einzelner Qubits.
„Wir sehen dies als einen wichtigen Schritt zur direkten Steuerung der Wärme innerhalb von Quantenschaltungen, und zwar in einem Maßstab, den herkömmliche Kühlsysteme nicht erreichen können“, sagt Aamir Ali, Forscher an der Chalmers-Universität und Mitautor der Studie.
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