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14.05.2017

Nanokühlschrank hält Quantencomputer "cool"

"Nanokühlschrank" hält Quantencomputer "cool"

Erste eigenständige Kühlanlage soll Hitzeproblem effektiv lösen
Chip bleibt nanogekühlt leistungsfähig (Foto: Aalto University/Kuan Yen Tan)
Chip bleibt nanogekühlt leistungsfähig (Foto: Aalto University/Kuan Yen Tan)

Aalto (pte002/11.05.2017/06:05) - Forscher der Aalto University http://aalto.fi in Finnland haben die erste eigenständige Kühlanlage entwickelt, die auch bei komplexen Quantencomputern für die nötige "Coolness" sorgen kann. Damit die potenziellen Superrechner von morgen nämlich ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten können, ist es notwendig, die sogenannten "Qubits", die die physikalische Basis in der Quanteninformatik darstellen, von jeglichen äußeren Störungsquellen abzuschirmen. Gut isolierte Quantenbits haben allerdings das Problem, dass sie sehr schnell erhitzen. Diese Hitze soll nun ein neuer "Nanokühlschrank" abfangen, der erstmals in einen Quanten-Schaltkreis verbaut werden konnte.

"Ein Standard-Ventilator kann das nicht"

"Auch klassische Computer benötigen eingebaute Ventilatoren, Lüfter und andere Geräte, um Hitze abzuleiten. Quantencomputer sind hier keine Ausnahme", zitiert der "NewScientist" Mikko Möttönen, Leiter der Forschungsgruppe Quantum Computing and Devices am Department of Applied Physics der Aalto University.

Während ein herkömmlicher Rechner mit Bits von Informationen funktioniert, die entweder 0 oder 1 enthalten können, kommen hierfür bei einem Quantensystem Qubits zum Einsatz. Diese können auf Basis der Gesetze der Quantenmechanik beide Zustände gleichzeitig einnehmen, was in der Fachwelt als "Superposition" bezeichnet wird.

Im Gegensatz zu einem traditionellen Computer, müssen Qubits aber stets auf einem eher niedrigen Temperaturniveau gehalten werden, damit sie einen Algorithmus ausführen können. "Qubits heizen sich während des Rechnens stark auf. Wenn man also mehrere Quanten-Algorithmen nacheinander abarbeiten lassen will, braucht man einen Kühlmechanismus, der seine Aufgabe sehr schnell erledigt. Ein Standard-Ventilator kann das nicht", erklärt Möttönen.

Elektronen springen über Energieloch

Um das Hitzeproblem zu lösen, hat der Forscher gemeinsam mit seinem Team einen Quanten-Schaltkreis entwickelt, der durch ein Energieloch in der Mitte in zwei Kanäle geteilt wird: eine supraleitende "Überholspur", auf der Elektronen quasi mit null elektrischem Widerstand dahinbrausen können, und eine normale langsamere Spur.

Nur Elektronen, die über ausreichend Energie verfügen, das Energieloch zu überwinden, können von der langsamen auf die schnelle Spur wechseln. Verfügt ein Elektron nur knapp nicht über die nötige Energie für den Sprung, kann es sich von einem Resonator ein Photon schnappen. Dieser Prozess führt dann zu einer Abkühlung des Resonators.

"Über einen längeren Zeitraum betrachtet, hat dieser Vorgang auch auf die Elektronen einen kühlenden Effekt: die heißeren springen über die Lücke, während die kühleren zurückbleiben. Auf diese Weise wird Hitze vom ganzen System abgeleitet, so ähnlich, wie das bei einem Kühlschrank funktioniert", erläutert Möttönen, der vom Potenzial seines Ansatzes überzeugt ist: "Vielleicht können wir das schon in zehn oder 15 Jahren kommerziell nutzen."