Neue Quantenmaschine soll Milliardenkosten bei Quantencomputern sparen

Physiker:innen der Aalto-Universität in Finnland haben die erste zyklische Quantenwärmekraftmaschine gebaut. Die Konstruktion sitzt in einem supraleitenden Schaltkreis und wandelt winzige Wärmemengen aus einem Quantenkühlschrank in messbare Arbeit um. Damit gelingt einer Forschungsgruppe um Akademieprofessor Mikko Möttönen ein Nachweis, an dem Quantentechnolog:innen seit Jahren arbeiten.

Wärmekraftmaschinen trieben die industrielle Revolution an und stecken bis heute in Autos, Schiffen und Kraftwerken. Sie wandeln Wärme in nutzbare Energie um, seit James Watt seine Dampfmaschine baute. Ob dieses klassische Prinzip auch im Quantenbereich funktioniert, war lange offen. Quantenmechanik beschreibt Teilchen auf Skalen weit unterhalb von Atomen, Thermodynamik dagegen große Systeme von Molekülen bis zum gesamten Universum. Wie sich Phänomene wie Tunneleffekt, Verschränkung und Superposition mit dem nüchternen Prinzip der Wärmekraftmaschine vertragen, blieb bislang eine offene Frage der Grundlagenforschung. Das Team aus Espoo liefert nun eine Antwort und zeigt, wie sich beide Welten verbinden lassen.

Ein Otto-Zyklus bei nahezu absolutem Nullpunkt

Im Zentrum der Maschine steht ein Transmon-Qubit, gekoppelt an einen Resonator und einen Quantenkühlschrank. Die Forscher:innen kühlten den Aufbau in einem Kryostaten fast bis zum absoluten Nullpunkt und ließen ihn dort einen Otto-Zyklus durchlaufen, denselben thermodynamischen Prozess, der auch Autotriebwerke antreibt. Der Quantenkühlschrank übernimmt dabei sowohl die heiße als auch die kalte Seite des Kreislaufs, eine Vereinfachung gegenüber klassischen Wärmekraftmaschinen mit getrennten Wärmequellen. Über präzise getimte Steuerpulse verfolgten Uusnäkki und sein Team den Zustand des Qubits während des laufenden Zyklus und wiesen positive Arbeit nach. Nach Aussage der Forscher:innen ist es der erste experimentelle Nachweis einer zyklischen Quantenwärmekraftmaschine in einem supraleitenden Schaltkreis überhaupt. Für die Fachwelt liefert der Aufbau damit ein handfestes Testsystem, an dem sich Quantenthermodynamik nicht nur berechnen, sondern messen lässt.

Weniger Kabel für größere Quantencomputer

Finnlands Quantenstrategie sieht bis 2035 einen Quantencomputer mit tausend logischen Qubits vor. Das erfordert Hunderttausende physische Qubits, verbunden über Millionen Mikrowellenkabel zu je rund tausend Euro. Diese Kabel treiben nicht nur die Kosten in die Höhe, sie bringen auch Störsignale in das empfindliche System. Autonome Quantengeräte könnten die Kabel weitgehend überflüssig machen, benötigen dafür aber zunächst eine funktionierende Wärmekraftmaschine als Baustein. Genau diesen Baustein hat das Aalto-Team nun geliefert.

Als Nächstes will die Gruppe eine vollständig autonome Wärmekraftmaschine entwickeln, die etwa Qubits auslesen kann, ohne Mikrowellenpulse zwischen Millikelvin- und Raumtemperatur hin- und herzuschicken. Das würde Kosten senken und den Aufbau großer Quantencomputer vereinfachen.

via Aalto University