Hitze und Computer passen nicht gut zusammen. Wenn Computer überhitzen, funktionieren sie nicht richtig oder können sogar abstürzen. Aber was ist mit den Quantencomputern der Zukunft? Diese Hochleistungsgeräte sind noch empfindlicher gegenüber Hitze. Denn ihre grundlegenden Recheneinheiten – Quantenbits oder „Qubits“ – basieren auf hochsensiblen Einheiten, zum Teil einzelnen Atomen, und Wärme kann ein entscheidender Störfaktor sein.
Das grundlegende Dilemma: Um die Informationen eines Qubits abzurufen, muss sein Quantenzustand zerstört werden. Die dabei freigesetzte Wärme kann das empfindliche Quantensystem stören. Die eigene Wärmeentwicklung des Quantencomputers könnte folglich zum Problem werden, vermuten die Physiker Wolfgang Belzig (Universität Konstanz), Clemens Winkelmann (Néel Institute, Grenoble) und Jukka Pekola (Aalto University, Helsinki).
In Experimenten haben die Forscher nun die Wärmeentwicklung von supraleitenden Quantensystemen dokumentiert. Dazu entwickelten sie eine Methode, die den Temperaturverlauf während des Auslesens eines Qubits auf eine Millionstel Sekunde genau messen und darstellen kann. „Damit beobachten wir den Prozess im laufenden Prozess“, sagt Wolfgang Belzig. Die Methode wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.
Supraleitende Quantensysteme erzeugen Wärme
Bisher konzentrierte sich die Forschung zum Quantencomputing auf die Grundlagen, um diese Hochleistungscomputer zum Laufen zu bringen: Viele Forschungsarbeiten beschäftigen sich hauptsächlich mit der Kopplung von Quantenbits und der Identifizierung, welche Materialsysteme für Qubits optimal sind. Der Wärmeentwicklung wird wenig Beachtung geschenkt: Gerade bei supraleitenden Qubits, die aus einem vermeintlich ideal leitenden Material aufgebaut sind, gehen Forscher oft davon aus, dass keine oder nur vernachlässigbare Wärme entsteht.
„Das stimmt einfach nicht“, sagt Wolfgang Belzig. „Menschen denken bei Quantencomputern oft an idealisierte Systeme. Aber selbst die Schaltkreise eines supraleitenden Quantensystems erzeugen Wärme.“ Wie viel Wärme, das können die Forscher jetzt genau messen.
Ein Thermometer für das Quantenbit
Das Messverfahren wurde für supraleitende Quantensysteme entwickelt. Diese Systeme basieren auf supraleitenden Schaltungen, die „Josephson-Kontakte“ als zentrales elektronisches Element verwenden.
„Wir messen die Elektronentemperatur anhand der Leitfähigkeit solcher Kontakte. Das ist an sich nichts Besonderes: Viele elektronische Thermometer basieren irgendwie auf der Leitfähigkeitsmessung mit einem Widerstand. Das Problem ist nur: Wie schnell kann man messen? ?“ Clemens Winkelmann erklärt. Änderungen in einem Quantenzustand dauern nur eine Millionstel Sekunde.
„Unser Trick besteht darin, dass der Widerstand die Temperatur in einem Resonator – einem Schwingkreis – misst, der bei einer bestimmten Frequenz eine starke Antwort erzeugt. Dieser Resonator schwingt mit 600 Megahertz und kann sehr schnell ausgelesen werden“, erklärt Winkelmann.
Es entsteht immer Wärme
Mit ihrem experimentellen Nachweis wollen die Forscher auf die thermodynamischen Prozesse eines Quantensystems aufmerksam machen. „Unsere Botschaft an die Welt der Quantencomputer lautet: Seien Sie vorsichtig und achten Sie auf die Wärmeentwicklung. Wir können sogar die genaue Menge messen“, fügt Winkelmann hinzu.
Diese Wärmeerzeugung könnte insbesondere für die Skalierung von Quantensystemen relevant werden. Wolfgang Belzig erklärt: „Einer der größten Vorteile von supraleitenden Qubits ist, dass sie so groß sind, weil sie durch diese Größe einfach zu bauen und zu kontrollieren sind. Andererseits kann das ein Nachteil sein, wenn man viele Qubits auf einem platzieren will.“ Chip. Entwickler müssen berücksichtigen, dass dadurch mehr Wärme entsteht und das System ausreichend gekühlt werden muss.“
Mehr Informationen:
E. Gümüş et al, Kalorimetrie eines Phasenschlupfs in einem Josephson-Kontakt, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01844-0