Forschungen eines Teams am Technischen Forschungszentrum VTT in Finnland könnten den Weg zu nachhaltigeren und leistungsfähigeren Quantencomputern weisen. Das Forschungsteam entwarf ein vakuumröhrenähnliches Gerät, das die Kühlung auf rein elektronische Weise ermöglicht – ein möglicher Weg zur Senkung der Kühlkosten für Quantencomputer mit Verdünnungskühlung um den Faktor zehn. In ihren Experimenten stellten die Forscher fest, dass ihr Design eine Temperatursenkung um bis zu 40 % ermöglichte.
Diese Quantencomputer nutzen hauptsächlich supraleitende Transmon-Qubits, um nützliche Rechenarbeit zu leisten, und waren die Qubits der Wahl für Quanten-Forward-Unternehmen wie IBM, Google, Amazon und andere (aber nicht alle). Damit diese supraleitenden Qubits funktionieren, müssen sie jedoch nahe an den absoluten Nullpunkt des Weltraums (~ 1 Kelvin) gekühlt werden. Die Notwendigkeit, verschiedene Heliumisotope zu mischen, um diese idealen Betriebstemperaturen zu erreichen, erhöht die Komplexität zusätzlich.
Eine der grundlegenden Grenzen jeder High-Level-Berechnung ist die Kühlkapazität – die Fähigkeit, rechnerisch erzeugte Wärme von Betriebskreisläufen abzuleiten. Diese besondere Grenze ist heutzutage überall zu sehen – von der Schwierigkeit, 16-Kern-Zen-5-CPUs zu kühlen, bis hin zu den riesigen Mengen an Lüftern und Metall, die unsere GPUs auf Hochtouren halten – Hitze ist eines der größten technischen Probleme in der Computerwelt von heute. und morgen.
Aber Quantencomputer sind noch empfindlicher als herkömmliche Elektronik – sie sind anfälliger für Störungen von außen und unbeständiger in Bezug darauf, welche Arten von Störungen ihre nützlichen, funktionierenden Qubit-Zustände zerstören können. Daher sind neue Techniken dringend erforderlich, die eine einfachere und effizientere Kühlung ermöglichen. Obwohl einige Fortschritte bei neuen Kühltechniken erzielt wurden (wie etwa die AirJet-Technik von Frore), funktionieren sie alle größtenteils auf die gleiche Weise: indem sie ein wärmetragendes Medium (wie Wasser oder Luft) von der Wärmequelle wegleiten.
Doch die finnischen Wissenschaftler am VTT gehen einen ganz anderen Weg: Sie entwickelten ein thermionisches Gerät das Wärme in Form von Elektronen abgibt (die Kanalisierung von Elektronen erfordert Energie, weshalb thermionische Geräte dies ausnutzen). Peltier-Effekt führen in der Regel noch einen weiteren Energieverbrauchsschritt ein). Entscheidend ist jedoch, dass dieses Gerät die Kühlung fast bis zum Äußersten treibt: Die Forscher gehen davon aus, dass die Elektronik auf einen Bereich zwischen 1,5 K und 0,1 K gekühlt werden kann – mehr als ausreichend, um als grundlegender Kühlmechanismus für „Absolute Zero“ zu dienen „Rechnen. Und diese Technik sollte sowohl aus logistischer als auch betrieblicher Sicht viel kleiner, kostengünstiger und weniger fehleranfällig sein als die flüssigkeitsbasierte Kühlung.
„Unsere Technologie könnte der Industrie helfen, die Gesamtgröße des Quantencomputersystems zu verkleinern“, sagte er Mika Prunnila am VTT Technical Research Centre of Finland in Espoo.
Grundsätzlich entsteht Wärme durch die schnelle Bewegung und die anschließenden energiefreisetzenden Kollisionen zwischen Elementarteilchen. Quantencomputing erfordert aus mehreren Gründen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (unter anderem, weil die supraleitenden Verbindungen erst bei dieser Temperatur supraleitend werden, was auf die derzeit verfügbaren supraleitenden Materialien zurückzuführen ist). In Umgebungen mit absoluter Nulltemperatur werden Elementarteilchen auf ein Kriechtempo abgebremst. Da sie sich langsamer bewegen, kommt es zu weniger Kollisionen, was sowohl zu weniger Hitze als auch zu einem widerstandsfähigeren Rechenzustand führt, der außerdem viel einfacher zu beobachten und nützliche Informationen daraus zu extrahieren ist. Es ist eine Sache, seinen Opa zu identifizieren, wenn er in einem Formel-1-Rennwagen vorbeirast, aber es ist viel einfacher, die Haare auf seinem Kopf zu zählen, wenn man den Formel-1-Traktor durch einen langsam fahrenden Traktor ersetzt.
Ein Problem bei thermionischen Kühlern besteht jedoch darin, dass die Elektronenaktivität nicht die einzige Quelle grundlegender Wärme ist. Auch andere Teilchen, Halbteilchen und Quasiteilchen interagieren miteinander; Und es kommt nicht selten vor, dass die durch die Elektronenabgabe erzielte Kühlung dadurch verloren geht, dass andere Teilchen (in diesem Fall Phononen) „zurückkommen“, mit Teilchen im zuvor abgekühlten Material interagieren (kollidieren) und es aufheizen wiederum in einem Prozess, der als „Rückstreuung„Entscheidend ist, dass das thermionische Gerät der Forscher sowohl Elektronen lenken als auch die zurückkehrenden Phononen daran hindern kann, mit der zuvor gekühlten Oberfläche zu interagieren (und diese aufzuheizen).
Das thermionische Gerät der Forscher leitet Wärme durch verschiedene Medien an ihren Verbindungspunkten (wo die Materialien miteinander in Kontakt kommen). In diesem Fall wird Wärme vom supraleitenden Medium zum Halbleitermedium geleitet, wodurch die Wärme von den empfindlichsten Bits (diejenigen, die wir nahe dem absoluten Nullpunkt haben wollen) hin zu den weniger empfindlichen Bits gedrückt wird. Auf diese Weise kann der Kühleffekt maximiert werden.
Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen, aber wenn sich Quantencomputer und klassische Computer weiterhin in einem brauchbaren Tempo weiterentwickeln sollen, sind grundlegende Durchbrüche im Wärmemanagement erforderlich. Vielleicht ist das thermionische Gerät der finnischen Forscher die Antwort, vielleicht aber auch nicht. Zumindest werden einige bisher unbekannte Lösungen durchbrochen, hin zu kleineren, leistungsfähigeren Kühllösungen.