Wärmemanagement für effiziente Quantencomputer
Die im 19. Jahrhundert, als die Wissenschaft entdeckte, wie Dampfmaschinen zu bauen und zu betreiben sind, entstandene Thermodynamik ist ein Zweig der Physik, der sich mit Energie und der Arbeit eines Systems befasst. Das Gebiet hat verschiedene Erfolge zu verzeichnen, die buchstäblich unser Leben verändert haben. Man denke nur an Dinge wie etwa Kühlschränke und Klimaanlagen bis hin zu Düsenflugzeugen. Noch vor kurzem wurde die Thermodynamik meistens auf große Systeme angewendet, die durch die Gesetze der klassischen Physik beschrieben werden. Im Zeitalter der modernen Computerminiaturisierung bis in den Nanometerbereich und das Reich der Quanten haben die Wissenschaftler jedoch ihre Ansicht, dass die Thermodynamik nur die großen Systeme betrifft, radikal verändert und damit begonnen zu erkennen, dass sie in allen Größenordnungen gute Dienste leistet. Die Quantenthermodynamik ist ein aufstrebendes Gebiet, in dem man den Zusammenhang zwischen Thermodynamik und Quantenmechanik erforscht. In diesem Kontext müssen die scheinbar unverrückbaren Interpretationen von Wärme und Arbeit revidiert werden. Quantenwärme und -arbeit unterliegen Quantenfluktuationen, die durch mathematische Beziehungen, die sogenannten Fluktuationsrelationen, beschrieben werden. Vor diesem Hintergrund führte das EU-finanzierte Projekt NEQUFLUX (Nonequilibrium quantum fluctuations in superconducting devices) realisierbare Experimente durch, um für die Entwicklung von effizienten Quanten-Nanobauelementen Quantenfluktuationsrelationen zu testen und anzuwenden. Ebenso wie eine Dampfmaschine können Nanobauelemente als Quantenwärmekraftmaschinen betrachtet werden, die Wärme von einer Wärmequelle (einem Widerstand) nehmen, einen Teil davon zur Arbeit (in Form von Photonen) aufbrauchen und den Rest in einer Kältequelle (erneut ein Widerstand) abgeben. Der Motor kann außerdem als Quantenkühlschrank arbeiten, was es beispielsweise ermöglicht, Teile eines Mikrochips zu kühlen. Spezielle Operationen mit der Bezeichnung Quantengatter verwalten den Wärmetransport im Chip. Das durchgeführte Experiment gestattete Messungen von Quantenwärme und -arbeit sowie von deren Schwankungen. Das Bauelement arbeitete bei sehr niedriger Temperatur und basierte auf supraleitenden Schaltungen. Ein weiterer Teil der Arbeit zielte darauf ab, ein Bauelement zu entwickeln, das ähnliche supraleitende Schaltkreise aufweist, die externe Energie nutzen, um Ladung von einer Stelle eines auf dem Chip ein Muster bildendes supraleitenden Drahts zu einer anderen zu transportieren. In dem Supraleiter binden sich die Elektronen paarweise, es entstehen sogenannte Cooper-Paare, und das Bauelement gestattet es, derartige Paare zu manipulieren und zu transportieren, und das sogar in Gegenwart des thermischem Rauschens in den Drähten. Insgesamt untersuchte NEQUFLUX Verfahren zur Ausnutzung der Technologie, die bereits zur Quantenberechnung mit supraleitenden Schaltungen entwickelt wurde, um in diesen Schaltungen eher Wärme und Ladung als die Informationen zu steuern und zu verwalten.
Schlüsselbegriffe
Quantencomputer, Quantenthermodynamik, Fluktuationsbeziehungen, NEQUFLUX, Cooper-Paare