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."