Kühlung

Nano-Kühlschrank hält Quantencomputer kalt

15.05.17 | Autor: Margit Kuther

Chip: Coolness für Quantencomputer, entwickelt von Mitarbeitern der Aalto University, Finnland
Chip: Coolness für Quantencomputer, entwickelt von Mitarbeitern der Aalto University, Finnland (Bild: Kuan Yen Tan)

Eine Kühlanlage, speziell für die hitzeempfindlichen Quantenbits eines Supercomputers, haben Forscher der finnischen Aalto University entwickelt. Diese ermöglicht komplexere rechenintensivere Systeme mit weniger Hitzeproblemen.

Quantencomputer arbeiten im Gegensatz zu Computern nicht mit Bits sondern mit Quantenbits (Qubits). Werden diese zu heiß, können sie nicht initialisiert werden, Systemprobleme sind die Folge.

Bits, die kleinste Recheneinheit eines Computers, sind entweder Nullen oder Einsen, während ein Quantenbit auf Basis der Quantenmechanik beide Zustände (Superposition) einnehmen kann. Diese Vielseitigkeit der Qutis ist für die komplexen Rechenaufgaben der Quantencomputer unerlässlich, macht diese Systeme aber auch äußerst empfindlich gegenüber externen Störungen. Quantenbits sind daher gegen Störungen besonders geschützt, was sie nochmals hitzeanfälliger macht.

Jedes Quantenbit muss am Anfang der Berechnung zurückgesetzt werden. Werden die Quantenbits aber zu heiß, können sie nicht initialisiert werden, da sie zu oft zwischen beiden Zuständen hin und her wechseln.

Ein Nanokühlschrank macht Quantencomputer zuverlässiger

Und dieses Hitzeproblem der Quantenbits hat un eine Forschungsgruppe um den Quantenphysiker Mikko Möttönen an der Aalto-Universität gelöst: Das Team entwickelte einen nanoskaligen Kühlschrank, der erstmals in einem Quantenschaltkreis verbaut wurde. Damit lassen sich die meisten elektrischen Quantengeräte rasch initialisieren, was diese leistungfähiger und zuverlässiger macht.

„Ich habe fünf Jahre an dieser Aufgabe gearbeitet und jetzt funktioniert es endlich“, freut sich Kuan Yen Tan, der als Postdoktorand in der Gruppe von Möttönen arbeitet.

Die Funktionsweise des Nanokühlschranks

Tan kühlte einen quantenbitähnlichen, supraleitenden Resonator herunter, indem er einzelne Elektronen durch einen zwei Nanometer dünnen Isolator tunneln ließ. Er gab den Elektronen etwas weniger Energie aus einer externen Spannungsquelle mit, als sie für die direkte Tunnelung gebraucht hätten.

Deshalb nahmen die Elektronen die zum Tunneln fehlende Energie aus dem Quantenschaltkreis auf. Auf diese Weise wurde dem Quantenschaltkreis Energie entzogen und er kühlte ab. Die Abkühlung kann unterbrochen werden, indem aus der externen Spannungsquelle keine Energie mehr zugeführt wird, da dann auch die aus dem Quantenschaltkreis zur Verfügung stehende Energie nicht mehr ausreicht, um das Elektron durch den Isolator zu schieben.

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