Neue Rekord-Kühltechnik ebnet Weg für zuverlässige Quantencomputer

Ein neuartiger Quantenkühlschrank könnte Quantencomputer effizienter und zuverlässiger machen. Das innovative System, entwickelt von einem internationalen Forscherteam, kühlt die empfindlichen Bauteile auf bisher unerreichte Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.

Game-Changer: Neuer Kühlschrank für Quantenrechner

Quantencomputer nutzen sogenannte Qubits als Recheneinheiten. Diese können, anders als klassische Bits, mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Um diese fragilen Quantenzustände zu erhalten, müssen Qubits extrem gekühlt werden. Herkömmliche Kühlsysteme erreichen dabei Temperaturen von etwa 50 Millikelvin, also 0,05 Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C).

Der neue Quantenkühlschrank, entwickelt von Forschern der Chalmers University of Technology in Göteborg, Schweden und der University of Maryland, geht noch weiter. Er kühlt Qubits autonom, also nach Einrichtung selbstständig und kontinuierlich, auf rekordverdächtige 22 Millikelvin. Dies bringt die Qubits in einen stabileren Zustand für Berechnungen.

Obwohl der Unterschied gering erscheinen mag, hat er bei vielen Berechnungen einen kumulativen Effekt und führt zu einer signifikanten Leistungssteigerung von Quantencomputern.

Funktionsweise, die Alltagserfahrung widerspricht

Das System basiert auf einem raffinierten Zusammenspiel von drei Qubits: dem Ziel-Qubit, das gekühlt werden soll, und zwei Hilfs-Qubits, die als "Kühleinheiten" fungieren. Der Quantenkühlschrank nutzt dabei einen thermodynamischen Prozess, der Ähnlichkeiten mit einer Wärmepumpe aufweist. Statt elektrischer Energie verwendet er jedoch Wärme aus der Umgebung als Antriebsquelle. Quadrat in der Mitte: Der neue Quantenkühlschrank (Bild: Lovisa Håkansson) Diese Umgebungswärme treibt eines der Hilfs-Qubits an, ermöglicht aber keinen direkten Wärmetransfer zum Ziel-Qubit. Stattdessen nutzt das System die Energie, um Wärme vom Ziel-Qubit auf das zweite Hilfs-Qubit zu übertragen. Dieses zweite Qubit ist mit einer kalten Umgebung verbunden und gibt die aufgenommene Wärme dorthin ab. Durch diesen kontinuierlichen Prozess wird das Ziel-Qubit effektiv gekühlt.

Um diesen komplexen Prozess besser zu verstehen, kann man sich das System wie eine "Wärmetreppe" vorstellen: Das erste Hilfs-Qubit wird durch die Umgebungswärme auf ein sehr hohes Energieniveau gebracht - vergleichbar mit der obersten Stufe einer Treppe. Dieses hohe Energieniveau ermöglicht es dem System, die Wärme vom Ziel-Qubit (mittlere Stufe) zum zweiten Hilfs-Qubit (untere Stufe) zu "transportieren".

"Ursprünglich hatten wir dieses Experiment als Machbarkeitsstudie geplant. Daher waren wir angenehm überrascht, als wir feststellten, dass die Leistung der Maschine alle bestehenden Reset-Protokolle übertrifft, wenn es darum geht, das Qubit auf tiefste Temperaturen abzukühlen", sagt Simone Gasparinetti, Hauptautorin der Studie "Thermisch angetriebener Quantenkühlschrank", die in Nature veröffentlicht wurde.


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