Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/quantencomputer-nano-kuehlung-fuer-qubits-1705-127869.html    Veröffentlicht: 23.05.2017 09:55    Kurz-URL: https://glm.io/127869

Quantencomputer

Nano-Kühlung für Qubits

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

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.

<#youtube id="l4OZP71IHTs"> 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

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.

Supraleitende Qubits

Das nun vorgestellte System der Wissenschaftler aus Aalto hat nur einen Resonator-"Dummy" anstelle eines richtigen Qubits. Aber es sollte kein grundsätzliches Problem darin bestehen, ein oder auch mehrere Qubits an diese Kühlvorrichtung zu koppeln.

Der Resonator stellt dabei ein wichtiges Testobjekt für sogenannte supraleitende Qubits dar, die einen wichtigen Technologiepfad für Quantencomputer darstellen. Zurzeit ist noch nicht klar, welche von mehreren möglichen Optionen der beste Weg zum Quantencomputer der Zukunft ist. Jede hat Vor- und Nachteile. So nutzen auf einzelnen Atomen oder Ionen basierende Qubits optische oder infrarote Photonen, weshalb sie deutlich weniger anfällig für äußere Störungen sind als die mit Mikrowellen arbeitenden supraleitenden Qubits.

Qubits werden in wenigen Nanosekunden gekühlt

Derzeit gehen viele Forscher aber davon aus, dass sich supraleitende Qubits am besten eignen, um viele von ihnen zu einem größeren Rechenverbund zusammenzuschließen. Das neue Kühlsystem könnte hier zu einem Geschwindigkeitssprung führen. Denn wenn ein Quantencomputer Berechnungen im Zeitraum von Millisekunden durchführen kann, sollte auch die Kühlung nach Möglichkeit in diesem Bereich funktionieren und die Rechenzeit nicht unnötig verlangsamen. "Unser Kühlsystem sollte zumindest theoretisch die Qubits innerhalb einiger Dutzend Nanosekunden wieder herunterkühlen können", sagt Möttönen. Noch arbeitet das System nicht ganz so schnell. Die Wissenschaftler sind aber bereits dabei, die Parameter zu optimieren.

Da Qubits so empfindlich sind, darf die Kühlung deren Zustände auch nicht beeinflussen. "Wir haben lange gebraucht, um die Tunnelkontakte so mit dem Resonator zu verbinden, dass dessen Resonanzen nicht gestört werden und keine zusätzlichen Störmoden auftreten", sagt Möttönen. Die richtige Konfiguration ergab sich schließlich nach fünfjährigen Versuchen, die insbesondere der Postdoktorand Kuan Yen Tan durchgeführt hatte. Die Kühlung lässt sich auch einfach abschalten, indem man die Spannung auf null setzt.

Ob sich diese Lösung für künftige Quantencomputer durchsetzen wird, lässt sich derzeit noch nicht sagen. Die Forscher haben zur Sicherheit bereits ein Patent eingereicht. Aber auch dann, wenn sich andere Verfahren als geeigneter erweisen, ließe sich ein solcher Quanten-Schaltkreis-Kühler in der Grundlagenforschung einsetzen - um etwa die Dynamik von Quantensystemen zu studieren. Erkenntnisse solcher Studien könnten wiederum in den Bau von Quantencomputern einfließen.  (die)


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