Interferenz als neue Methode zum Kühlen von Quanten-Bauteilen

Bauteile von Quantencomputern sind sehr empfindlich und müssen auf niedrige Temperaturen gekühlt werden. Ihre winzigen Maße macht sie besonders anfällig für einen Temperaturanstieg durch das thermische Rauschen, das von der Umgebung und anderen Komponenten in der Nähe ausgeht. Dr. Shabir Barzanjeh, Postdoc am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), hat nun zusammen mit Dr André Xuereb von der Universität Malta und Matteo Aquilina vom National Aerospace Centre in Malta eine neuartige Methode vorgeschlagen, um Quantengeräte kühl zu halten. Ihr Ansatz, den sie theoretisch bewiesen haben, beruht auf Quanteninterferenz.

Wenn ein heißeres Objekt neben ein kühleres Objekt gestellt wird, hat die Wärme normalerweise nur eine Möglichkeit: Sie kann nur vom heißeren Objekt zum kühleren Objekt fließen. Wenn also ein Objekt gekühlt werden soll, das bereits kühler als seine Umgebung ist, wie das zum Beispiel auch bei gewöhnlichen Kühlschränken getan wird, muss dafür ein zusätzlicher Aufwand unternommen werden. Nun hat eine Gruppe von theoretischen Physikern eine neue Methode zur Kühlung von Qubits, den winzigen Bausteinen von Quantencomputern, vorgestellt und ihre Funktion in der Theorie belegt.

„Im Wesentlichen funktioniert das Gerät, das wir vorschlagen, wie ein Kühlschrank. Aber hier setzen wir ein quantenmechanisches Prinzip ein, um es zu realisieren“, erklärt Shabir Barzanjeh, Erstautor der Studie und Postdoc in der Arbeitsgruppe von Professor Johannes Fink am IST Austria. In ihrer Arbeit untersuchten sie die Ströme von thermischem Rauschen in Quantengeräten und entwickelten eine Methode, die verhindern kann, dass der Wärmefluss den empfindlichen Bauteil erwärmt. Das Geheimnis liegt in einem zusätzlichen Reservoir, mit anderen Worten: Neben dem Objekt, das gekühlt werden soll und dem Objekt, das Wärme erzeugt, gibt es ein drittes Objekt, das Wärme speichern kann, ein sogenanntes „Wärmebad“. Dieses Bad ist mit den beiden anderen Geräten verbunden, und die Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, seinen Wärmestrom so zu kontrollieren, dass es die Wärme, die vom warmen Objekt direkt an das kühle kommt, durch spezielle Quanteninterferenz auslöscht.

„Bisher haben sich die Forscher auf die Steuerung von Signalen konzentriert, aber hier untersuchen wir das Rauschen. Das macht einen großen Unterschied aus, weil ein Signal kohärent ist und das Rauschen nicht“. Bezüglich der praktischen Umsetzung des Mechanismus, der dem thermischen Rauschen die nötige Phasenverschiebung hinzufügt, hat Shabir Barzanjeh bereits einige Ideen. Es könnte ein mechanisches Objekt sein, das vibriert, und vielleicht könnte Strahlungsdruck verwendet werden, um die Oszillation zu steuern. „Jetzt ist es Zeit für Experimentatoren, die Theorie zu verifizieren“, sagt er.