Quantencomputer: Nano-Kühlung für Qubits

Neuartiger integrierter Quanten-Schaltkreis-Kühler für heißgelaufene Qubits nutzt Metall-Supraleiter-Tunnelkontakte.

Artikel von Dirk Eidemüller veröffentlicht am
Chip mit zwei parallelen supraleitenden Oszillatoren und Kühlsystemen
Chip mit zwei parallelen supraleitenden Oszillatoren und Kühlsystemen (Bild: Kuan Yen Tan)

Die Quanten kommen: Alles Wissenswerte über Quantenthemen erfahren Sie auch auf der Konferenz von Golem.de am 23. Juni in Berlin!

Weitere Artikel vorlesen lassen:


Auch gewöhnliche Computer haben das Problem: Je mehr ein Prozessor zu leisten hat, desto heißer wird er. Nur gut konzipierte Kühlsysteme können die Abwärme abführen, zunächst über möglichst gut leitende Metallkomponenten wie Kupfer oder Aluminium bis hin zum Radiator, der die Umgebung erwärmt. Bei Quantencomputern tritt das Hitzeproblem in potenzierter Form auf: Denn die derzeit gängigen Technologien für Quantencomputer funktionieren nur bei extrem tiefen Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt. Ein Team von Physikern vom QCD Lab der Universität Aalto in Finnland hat nun ein neues integriertes Kühlsystem entwickelt.

Inhalt:
  1. Quantencomputer: Nano-Kühlung für Qubits
  2. Supraleitende Qubits

Die eigenartigen quantentypischen Überlagerungszustände, dank derer Quantencomputer ihre besonderen Eigenschaften erhalten, sind außerordentlich empfindlich. Jede kleine äußere Störung kann sie - und damit das Ergebnis der Quantenkalkulation - durcheinanderbringen. Heutige Systeme arbeiten deshalb typischerweise im Bereich einiger Millikelvin. Um an diesen Punkt zu gelangen, nutzen Forscher aufwendige Kühlsysteme.

Qubits müssen isoliert sein

Hier lauert allerdings ein großes Problem: Die Qubits müssen einerseits gut genug von ihrer Umwelt isoliert sein, um ungestört arbeiten zu können. Andererseits heizen sie sich bei der Arbeit ebenso auf wie ein gewöhnlicher Computerprozessor. Irgendwo muss die elektrische Energie, die zum Rechnen gebraucht wird, schließlich hin - und nach den Gesetzen der Thermodynamik wird sie schließlich zu Wärme. Das integrierte Kühlsystem der finnischen Forscher kühlt die Quantenbits nach vollführter Rechnung schnell wieder herunter und macht sie dadurch bereit für den nächsten Rechenschritt.

Das Konzept der Forscher um Mikko Möttönen beruht auf speziell designten Tunnelkontakten. Diese bestehen aus mehreren Schichten. Eine Lage normal leitendes Metall wird durch eine hauchdünne, nur zwei Nanometer messende Isolatorschicht von einem supraleitenden Material getrennt. Sobald an das System eine Spannung angelegt wird, fließt sowohl durch das Metall als auch durch den Supraleiter ein entsprechender Strom. Zusätzlich können durch den dünnen Isolator Elektronen vom Metall zum Supraleiter "tunneln".

Das System funktioniert ähnlich wie ein Verdampfungskühler

Stellenmarkt
  1. Scrum-Master (d/m/w)
    Pradtke GmbH, Bochum
  2. IT Consultant Store Solutions (m/w/d)
    ALDI International Services SE & Co. oHG, Mülheim an der Ruhr
Detailsuche

Eigentlich dürften nur Elektronen, die über hinreichend Energie verfügen, diese Potenzialbarriere durchdringen und zum Supraleiter springen, wo sie widerstandsfrei weitersausen. Der Trick beim Kühlelement der finnischen Forscher: Wählt man die Spannung nur knapp zu tief, so dass es den Elektronen an ein klein wenig Energie für den Sprung mangelt, dann können sich die Elektronen die fehlende Energie auch von thermischen Photonen aus der Umgebung stibitzen. Ein direkt an diesen Metall-Isolator-Supraleiter angekoppelter Resonator verliert dadurch Energie, die vom elektrischen Schaltkreis weggeführt wird. Durch diesen Energieverlust kühlt sich der Resonator ab. Das Ganze funktioniert im Prinzip also ähnlich wie ein Verdampfungskühler - nur dass man es hier mit einem Elektronengas anstelle eines gewöhnlichen Gases zu tun hat.

Solche Metall-Isolator-Supraleiter-Kühlkomponenten sind an sich nicht neu. Andere Forschungsgruppen haben sie bereits zur Kühlung von Quantenkaskadenlasern und ähnlichen Systemen eingesetzt. Es ist allerdings das erste Mal, dass sie in integrierte supraleitende Strukturen eingebaut werden, die auch Qubits beinhalten können.

Bitte aktivieren Sie Javascript.
Oder nutzen Sie das Golem-pur-Angebot
und lesen Golem.de
  • ohne Werbung
  • mit ausgeschaltetem Javascript
  • mit RSS-Volltext-Feed
Supraleitende Qubits 
  1. 1
  2. 2
  3.  


Aktuell auf der Startseite von Golem.de
Ebay-Kleinanzeigen
Im Chat mit den Phishing-Betrügern

Wenn man bestimmte Anzeigen in Kleinanzeigenportalen aufgibt, hat man sofort einen Betrüger an der Backe. Die Polizei kann kaum etwas dagegen tun.
Ein Bericht von Friedhelm Greis

Ebay-Kleinanzeigen: Im Chat mit den Phishing-Betrügern
Artikel
  1. Straftatbestand: Wenn Sexting zur Kinderpornografie wird
    Straftatbestand
    Wenn Sexting zur Kinderpornografie wird

    Der Straftatbestand Kinderpornografie umfasst auch Sexting unter Jugendlichen und betrifft ganze Schülerchats. Offenbar wissen viele gar nicht, wann sie strafbar handeln.

  2. Konzeptfahrzeug: Renault zeigt Hybrid-Wasserstoffauto Scénic Vision
    Konzeptfahrzeug
    Renault zeigt Hybrid-Wasserstoffauto Scénic Vision

    Renault hat den Scénic Vision vorgestellt. Das Elektroauto mit großem Akku nutzt seine Brennstoffzelle nur auf Langstrecke, um Ladepausen zu vermeiden.

  3. Spotify for Work: Unternehmen können Mitarbeitern Spotify-Abo schenken
    Spotify for Work
    Unternehmen können Mitarbeitern Spotify-Abo schenken

    Für Unternehmen bietet Spotify die Möglichkeit, die gesamte Belegschaft mit einem kostenlosen Spotify-Premium-Abo zu versorgen.

Du willst dich mit Golem.de beruflich verändern oder weiterbilden?
Zum Stellenmarkt
Zur Akademie
Zum Coaching
  • Schnäppchen, Rabatte und Top-Angebote
    Die besten Deals des Tages
    Daily Deals • Cyber Week: Bis zu 87€ Rabatt auf SSDs • PNY RTX 3080 12GB günstig wie nie: 974€ • Razer Basilisk V3 Gaming-Maus 44,99€ • PS5-Controller + Samsung SSD 1TB 176,58€ • MindStar (u. a. MSI RTX 3090 24GB Suprim X 1.790€) • Gigabyte Waterforce Mainboard günstig wie nie: 464,29€ [Werbung]
    •  /