Een van de uitdagingen in kwantumcomputerland is om qubits te bevriezen tot dicht bij het absolute nulpunt. Dit is nodig voor betrouwbare kwantumberekeningen. Een nieuw type koelkast kan de supergeleidende qubits echter autonoom koelen tot recordlage temperaturen.

De koelkast is ontwikkeld door onderzoekers van Chalmers University of Technology in Zweden en de University of Maryland in de VS.
Een kwantumcomputer kan parallelle berekeningen uitvoeren, wat resulteert in een enorm rekenpotentieel. De tijd die een kwantumcomputer aan een berekening kan werken, is echter nog steeds aanzienlijk beperkt, omdat hij veel tijd besteedt aan het corrigeren van fouten.
“Qubits zijn overgevoelig voor hun omgeving. Zelfs extreem zwakke elektromagnetische interferentie die in de computer lekt, kan de waarde van de qubit willekeurig omdraaien, wat fouten veroorzaakt – en vervolgens kwantumberekeningen belemmert”, zegt Aamir Ali van Chalmers.
Tegenwoordig zijn veel quantumcomputers gebaseerd op supergeleidende elektrische circuits die geen weerstand hebben en daarom informatie heel goed bewaren. Om qubits zonder fouten en voor langere periodes in zo’n systeem te laten werken, moeten ze worden gekoeld tot een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt. De extreme kou brengt de qubits in hun laagste energietoestand, de grondtoestand, equivalent aan waarde 0, een vereiste om een berekening te starten.
De koelsystemen die tegenwoordig worden gebruikt, zogenaamde verdunningskoelkasten, brengen de qubits tot ongeveer 50 millikelvin boven het absolute nulpunt. Hoe dichter een systeem het absolute nulpunt nadert, hoe moeilijker verdere koeling is. Volgens de wetten van de thermodynamica kan geen enkel eindig proces een systeem tot het absolute nulpunt koelen.
Nu hebben de onderzoekers een nieuw type quantumkoelkast gebouwd dat de verdunningskoelkast kan aanvullen en supergeleidende qubits autonoom kan koelen tot recordlage temperaturen. De kwantumkoelkast wordt beschreven in het tijdschrift Nature Physics.
“De kwantumkoelkast is gebaseerd op supergeleidende circuits en wordt aangestuurd door warmte uit de omgeving. Hij kan de doelqubit afkoelen tot 22 millikelvin, zonder externe controle”, zegt hoofdauteur Aamir Ali.
“Met deze methode konden we de waarschijnlijkheid van de qubit om zich in de grondtoestand te bevinden vóór de berekening verhogen tot 99,97 procent, wat aanzienlijk beter is dan wat eerdere technieken konden bereiken, dat wil zeggen tussen 99,8 en 99,92 procent.”
Aangedreven door de omgeving
De koelkast maakt gebruik van interacties tussen verschillende qubits, namelijk tussen de te koelen doelqubit en twee kwantumbits die worden gebruikt voor de koeling. Naast een van de qubits is een warme omgeving ontworpen om te dienen als een warm thermisch bad. Het warme thermisch bad geeft energie aan een van de supergeleidende qubits van de kwantumkoelkast en voedt de kwantumkoelkast.
“Energie uit de thermische omgeving, gekanaliseerd via een van de twee qubits van de kwantumkoelkast, pompt warmte van de doelqubit naar de tweede qubit van de kwantumkoelkast, die koud is. Die koude qubit wordt thermisch omgezet in een koude omgeving, waarin de warmte van de doelqubit uiteindelijk wordt gedumpt”, zegt Nicole Yunger Halpern, NIST-fysicus en universitair hoofddocent natuurkunde en IPST aan de University of Maryland, VS.
Het systeem is autonoom in die zin dat het, zodra het is gestart, zonder externe controle werkt en wordt aangestuurd door de warmte die van nature ontstaat door het temperatuurverschil tussen twee thermale baden.