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Malta/Klosterneuburg (ist) - 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.
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