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)

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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

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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.

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Supraleitende Qubits 
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Donnergurgler 24. Mai 2017

+1

radiatorX 23. Mai 2017

sind es nun Gitterschwingungen oder Lichtquanten.


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