Durchbruch in 2D-Materialien: neues Gerät revolutioniert Kühlung von Quantencomputern

BerlinForschende am LANES-Labor der EPFL haben ein neuartiges Gerät entwickelt, das Quantenbits (Qubits) äußerst effizient kühlt. Unter der Leitung von Andras Kis und seinem Team von der Ingenieursschule erleichtert dieses Gerät die Nutzung von Qubits bei extrem niedrigen Temperaturen, was für die Quantencomputing-Forschung von entscheidender Bedeutung ist.

Quantencomputer benötigen Qubits, die extrem kalt sein müssen, nahe -273 Grad Celsius, um atomare Bewegungen zu verringern und Rauschen zu minimieren. Allerdings erzeugen die in diesen Computern verwendeten Elektroniken Wärme, die bei solch niedrigen Temperaturen schwer abzuleiten ist. Aktuelle Technologien haben Schwierigkeiten, dies zu bewältigen, was zu Rauschen und Ineffizienzen führt.

Das LANES-Team hat ein neues Gerät entwickelt, das Graphen aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und Indiumselenid wegen seiner Halbleitereigenschaften nutzt. Dieses nur wenige Atomlagen dicke Gerät funktioniert als zweidimensionales Objekt.

Wichtige Merkmale des Geräts:

• Arbeitet bei Temperaturen von bis zu 100 Millikelvin.
• Nutzt den Nernst-Effekt zur thermoelektrischen Umwandlung.
• Kombiniert Graphen und Indiumselenid für hohe Effizienz.
• Erreicht die Effizienz aktueller Raumtemperaturtechnologien.
• Kann in bestehende Niedrigtemperatur-Quantenkreise integriert werden.

Das Gerät nutzt den Nernst-Effekt, der eine Spannung erzeugt, wenn ein Magnetfeld senkrecht auf ein Objekt mit unterschiedlichen Temperaturen angewendet wird. Die zweidimensionale Struktur ermöglicht die elektrische Steuerung der Effizienz dieses Prozesses.

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Wissenschaftler haben ein Gerät getestet, das eine Laserwärmequelle und einen Verdünnungskühler verwendet. Dieses Gerät wandelte Wärme bei sehr niedrigen Temperaturen in Spannung um, was normalerweise schwierig ist. Das neue Gerät löst dieses Problem und ist von großer Bedeutung für die Quanten-Technologie.

Gabriele Pasquale, Doktorand bei LANES, unterstreicht die Bedeutung dieses Geräts. In Quanten­systemen stellt Wärme ein Problem dar. Dieses Gerät hilft, die nötige Kühlung zur Kontrolle der Wärme zu gewährleisten.

Pasquale, ein Physiker, betont die Bedeutung der Forschung. Sie ermöglicht uns, bei niedrigen Temperaturen Wärme in Strom umzuwandeln, ein bislang wenig untersuchtes Thema. Das Gerät ist hocheffizient und kann mit leicht erhältlichen Bauteilen gefertigt werden, sodass es in bestehende Quantenkreise integriert werden könnte.

Dieser Durchbruch ist wichtig für die Quanteninformatik. Kühlsysteme sind entscheidend, um Qubits stabil zu halten, und dieses Gerät bietet die benötigte Lösung. Es weist auf eine Zukunft hin, in der Quantencomputer nützlicher und weiter verbreitet sein könnten, vom Labor in den Alltag übergehen.

Das LANES-Team hat bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung besserer Kühlsysteme für Quantencomputer erzielt. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Nanotechnology, markieren einen wichtigen Meilenstein in der Nanotechnologie. Dies könnte zu erheblichen Veränderungen in der Funktionsweise zukünftiger Quanten-Kühlsysteme führen.