Um Quantenberechnungen durchzuführen, müssen Quantenbits (qubits) auf Temperaturen im Millikelvinbereich (fast -273 Celsius) gekühlt werden, um die Bewegungen der Atome zu verlangsamen und das Rauschen zu reduzieren. Die Elektronik, die zur Steuerung dieser Quantenschaltkreise verwendet wird, erzeugt jedoch Wärme, die bei so niedrigen Temperaturen nur schwer abgeführt werden kann. Die meisten aktuellen Technologien müssen daher die Quantenschaltkreise von ihren elektronischen Komponenten trennen, was zu Rauschen und mangelnder Effizienz führt - alles Hindernisse, die der Entwicklung größerer Quantensysteme außerhalb des Labors im Wege stehen.
Wissenschaftler des von Andras Kis geleiteten Labors für Elektronik und Strukturen im Nanometerbereich ( LANES ) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL haben nun ein Gerät hergestellt, das bei extrem niedrigen Temperaturen mit einem Wirkungsgrad arbeitet, der mit dem der heutigen Technologien bei Raumtemperatur vergleichbar ist.
"Wir sind die ersten, die ein Gerät herstellen, dessen Umwandlungswirkungsgrad dem der heutigen Technologien entspricht und das bei schwachen Magnetfeldern und sehr niedrigen Temperaturen funktioniert - Bedingungen, die für Quantensysteme erforderlich sind. Diese Arbeit ist ein echter Durchbruch", sagt Gabriele Pasquale, Doktorandin am LANES-Labor.
Dieses innovative Bauelement kombiniert die hervorragende elektrische Leitfähigkeit von Graphen mit den Halbleitereigenschaften von Indiumselenid. Mit nur wenigen Atomen Dicke verhält es sich wie ein zweidimensionales Objekt, und diese neuartige Kombination von Material und Struktur verleiht ihm eine unvergleichliche Leistungsfähigkeit. Diese technische Meisterleistung wurde in einem Artikel in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Den Nernst-Effekt ausnutzen
Das Gerät nutzt den Nernst-Effekt. Dabei handelt es sich um ein komplexes thermoelektrisches Phänomen, das eine elektrische Spannung erzeugt, wenn ein Magnetfeld senkrecht an ein Objekt mit variabler Temperatur angelegt wird. Die zweidimensionale Natur der Laborvorrichtung ermöglicht es, den Wirkungsgrad dieses Mechanismus elektrisch zu steuern.
Die zweidimensionale Struktur wurde im Zentrum für Mikronanotechnologie und im LANES-Labor der EPFL hergestellt. Für die Experimente wurden ein Laser als Wärmequelle und ein spezieller Verdünnungskühlschrank benötigt, um 100 Millikelvin zu erreichen - eine Temperatur, die noch niedriger ist als die im Weltraum. Normalerweise ist es bei solch niedrigen Temperaturen sehr schwierig, Wärme in Spannung umzuwandeln. Dank des Nernst-Effekts gelingt dies dem neuen Gerät jedoch, wodurch eine kritische Lücke in der Quantentechnologie geschlossen wird
"Nehmen wir als Beispiel einen Laptop in einem Büro, in dem die Temperatur niedrig ist. Der Computer wird sich während des Betriebs weiter aufheizen, was zu einem Anstieg der Temperatur im Raum führt. In Quantencomputersystemen gibt es derzeit keinen Mechanismus, der verhindert, dass diese Wärme die Qubits stört. Unser Gerät könnte diese notwendige Kühlung ermöglichen", sagt Gabriele Pasquale.
"Diese Ergebnisse stellen einen großen Fortschritt im Bereich der Nanotechnologie dar. Sie sind vielversprechend für die Entwicklung fortschrittlicher Kühltechnologien, die für das Quantencomputing bei Temperaturen im Millikelvinbereich unerlässlich sind", erklärt Gabriele Pasquale. "Wir sind überzeugt, dass diese technische Meisterleistung die Kühlsysteme für die Technologien von morgen revolutionieren könnte."
