Stabilere Quantencomputer: Quantenkühlschrank sorgt für bessere Kühlung

Quantencomputer werden als die Zukunft der Informationstechnologie gehandelt. Allerdings sind sie extrem fehleranfällig – bereits kleine Störungen bringen die quantenphysikalische Überlagerung und Verschränkung der Qubits aus dem Gleichgewicht bringen, was zum Kollaps führt. Um die Quantencomputer stabiler zu machen, werden die supraleitenden Qubits auf Temperaturen bis knapp über dem digitalen Nullpunkt gebracht. Physiker:innen gelang es nun, einen neuartigen Quantenkühlschrank zu entwickeln, der diesen Vorgang erheblich erleichtern soll.

Bessere Kühlmethode für Qubits

Wenn Qubits auf Temperaturen heruntergekühlt werden, die knapp über dem absoluten Nullpunkt liegen, dann kommen sie nahe an ihren energetischen Grundzustand, welcher einer digitalen Null entspricht. Für gewöhnlich werden zur Kühlung der Qubits sogenannte Verdünnungskryostate verwendet, die das System mithilfe einer flüssigen Mischung aus zwei Helium-Isotopen kühlen. Mit diesen Verdünnungskryostaten lassen sich die Qubits allerdings nur auf rund 50 Millikelvin herunterkühlen. Um eine stabilere Funktion der Quantenrechner zu gewährleisten, wären niedrigere Temperaturen nötig.

Ein Team rund um Mohammed Ali Aamir von der Chalmers Universität in Schweden hat nun einen neuartigen Quantenkühlschrank entwickelt, mit dem man Qubits noch weiter herunterkühlen kann. Dabei kommt ein Konzept zum Ansatz, das bereits 2021 zumindest in ähnlicher Form theoretisch entworfen wurde und sich an normalen Kühlschränken orientiert. Diese kühlen den Innenraum, indem sie die Wärme aus ihm unter Einsatz eines Kältemittels nach außen ableiten. Dabei wird das Kältemittel im Wechsel verdampft, komprimiert und dann wieder kondensiert.

Systeme aus drei Qubits

Den Physiker:innen gelang es nun, dieses Grundprinzip auf die Welt der Quanten zu übertragen. Dabei setzten sie auf supraleitende Qubits in Form sogenannter Transmons, die sie in Dreiergruppen miteinander verkoppelten. Ein Qubits ist in dieser Konstellation die Recheneinheit, die gekühlt werden soll, eins dient als Energiequelle und das dritte ist das „Kältemittel“. Die einzelnen Qubits sind dabei mit einem Wellenleiter für Mikrowellen verbunden.

„Der Quantenkühlschrank nutzt nun eine Dreikörper-Interaktion zwischen dem Ziel-Qubit und den beiden Zusatzeinheiten„, erläutern die Physiker:innen das Prinzip. Dabei kommt ein Mikrowellenpuls zum Einsatz, der das Rechenqubit sowie den Energieträger anregt und ihnen so Energie zuführt. Dabei entsteht Wärme, die an die dritte Qubit-Einheit weitergeleitet wird. Dieses absorbiert die Wärme und kühlt so das Rechenqubit.

Indem wiederholt zwischen Koppelung und Trennung der drei Einheiten gewechselt wird, lässt sich dann der Energiefluss beeinflussen. Und zwar so, dass die Wärme vom Rechenqubit aus zu den beiden anderen Qubits fließt. Solch eine Dreiergruppe arbeitet so als eine Art Miniatur-Wärmemaschine, die zudem selbstständig immer weiter läuft und dabei ihren Energiebedarf aus dem Wärmegradienten in dem kleinen System bezieht.

Bessere Kühlung führt zu stabileren Quantensystemen

Unter Einsatz dieses innovativen Quantenkühlschranks konnten die Forscher:innen Qubits bis auf eine Temperatur von 22 Millikelvin herunterkühlen, was einen neuen Rekord darstellt. „Ursprünglich war unser Experiment nur als Proof-of-Concept gedacht. Wir waren daher positiv überrascht, als wir feststellten, dass die Leistung des Quantenkühlschranks alle existierenden Methoden übertraf und die Qubits auf Rekord-Tieftemperaturen herunterkühlte„, erklärt Simone Gasparinetti von der Chalmers Universität, eine Seniorautorin des korrespondierenden Papers.

Die Forscher:innen gehen davon aus, dass ihre Kühltechnologie neue Möglichkeiten für stabilere Quantencomputer-Systeme bietet. „Die Technik zeigt, dass wir Wärme von einem Teil des Quantencomputers abziehen und diese dann zur weiteren Kühlung einsetzen können. Das könnte uns technologische Möglichkeiten eröffnen, die wir uns zuvor nicht vorstellen konnten„, so Nicole Yunger Halpern vom National Institute of Standards and Technology (NIST), eine der Koautor:innen.

Bisher kommen Quantensysteme auf eine Wahrscheinlichkeit von 99,8 und 99,92 Prozent, dass Qubits im Grundzustand vorliegen. Dank der neuen Kühlmethode werden 99,97 Prozent erreicht. „Das erscheint wie ein winziger Unterschied, aber bei multiplen Berechnungen bewirkt schon diese kleine Differenz eine große Steigerung der Quantencomputer-Leistung„, so Aamir. Es kommt durch die bessere Kühlleistung zu einer deutlich geringeren Fehlerrate, was die Leistung eines Quantencomputers erhöht.

via Chalmers University of Technology