An ultracompact dilution refrigerator for fast quantum device characterization

Das Streben nach dem Bau eines Quantencomputers ist ein Wettlauf gegen die Zeit, aber nicht eine, die in Sekunden oder Minuten gemessen wird. Sie wird in den Stunden und Tagen gemessen, die es dauert, eine Maschine auf die kältesten vorstellbaren Temperaturen abzukühlen. Um die empfindlichen Schaltkreise eines Quantencomputers funktionsfähig zu machen, müssen sie auf eine Temperatur gekühlt werden, die nur einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt liegt – ein Zustand, in dem das chaotische Zittern der Atome fast zum Stillstand kommt. Diese extreme Kälte wird normalerweise mit einer speziellen Maschine erreicht, die als Verdünnungskühlschrank bezeichnet wird und wie eine superstarke Eiskiste fungiert. In den letzten zehn Jahren waren diese Maschinen das Rückgrat der Quantenforschung und ermöglichten es Wissenschaftlern zu sehen, wie lange ihre Quantenbits oder Qubits Informationen speichern können, bevor sie verblassen. Die herkömmlichen Maschinen sind jedoch massiv, schwer und unglaublich langsam in der Anwendung. Sobald ein Wissenschaftler ein neues Design getestet hat, muss er einen vollen Tag oder mehr warten, bis die Maschine aufgewärmt wurde, die Probe ausgetauscht wurde und sie wieder abgekühlt ist. Dieser langsame Zyklus schafft einen Engpass und zwingt Forscher dazu, Wochen oder Monate zu warten, um eine einzige neue Idee zu testen, was das Tempo der Entdeckungen drastisch verlangsamt.

Ein Team von Forschern aus Frankreich und Deutschland hat nun eine Lösung gebaut, die diesen Engpass durchbricht. Sie haben einen Verdünnungskühlschrank konstruiert, der so klein ist, dass er nur drei Kilogramm wiegt – etwa die Masse eines großen Laptops – und in einen Zylinder passt, der nur zehn Zentimeter breit ist. Trotz seiner winzigen Größe kann diese ultrakompakte Maschine eine Probe auf eine Basistemperatur von siebzig Millikelvin abkühlen, ein Niveau, das kalt genug ist, um supraleitende Quantenbauelemente zu betreiben. Vor allem aber tut sie dies mit beispielloser Geschwindigkeit. Wenn die Maschine leer ist, kann sie einen vollständigen Zyklus aus Abkühlung, Aufwärmen und Rückkehr zur Raumtemperatur in nur einer Stunde und zwölf Minuten abschließen. Selbst wenn sie mit der komplexen Verkabelung bestückt ist, die zur Messung eines Quantenchips benötigt wird, dauert der gesamte Prozess nur zwei Stunden und sechs Minuten. Dies stellt eine zwanzigfache Reduzierung der Zeit im Vergleich zu den konventionellen Systemen dar, die heute das Feld dominieren.

Die Forscher haben nicht nur eine schnellere Maschine gebaut; sie haben bewiesen, dass diese Geschwindigkeit nicht zu Lasten der Leistung geht. Um ihre Erfindung zu testen, installierten sie einen Chip, der zwei supraleitende Qubits enthält – eine Art von Quantenbit, die als Fluxonium bekannt ist und berüchtigt empfindlich auf Hitze und elektrisches Rauschen reagiert. In einer Standardlaborumgebung würde ein solcher Chip in einem massiven, tonnenschweren Kühlschrank getestet werden. Hier platzierten die Forscher den Chip direkt in ihr Miniaturgerät. Es gelang ihnen, die vollständige Energiestruktur der Qubits abzubilden, zu messen, wie lange sie Informationen speichern konnten, und zu testen, wie präzise sie gesteuert werden konnten. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Das Team erreichte eine Single-Qubit-Gate-Fidelity von bis zu neunundneunzig Prozent, ein Maß dafür, wie genau eine Quantenoperation ausgeführt wird. Diese Präzision liegt an der äußersten Grenze dessen, was bei der Betriebstemperatur ihrer Maschine physikalisch möglich ist, was beweist, dass das kompakte Design keine versteckten Fehler oder ein Rauschen eingeführt hat, das das Experiment ruiniert hätte.

Der Erfolg dieses Experiments beruht auf einer klugen Neugestaltung der internen Architektur der Maschine. Anstatt des traditionellen Layouts, bei dem der kälteste Teil unten liegt, invertierten die Forscher die Geometrie und platzierten die kälteste Stufe, bekannt als Mischkammer, ganz oben. Dieses Design ermöglicht es Wissenschaftlern, direkt auf den kältesten Teil der Maschine zuzugreifen, ohne tief in ein schmales, isoliertes Rohr greifen zu müssen. Es vereinfacht den Prozess der Probenmontage und des Komponentenaustauschs, was für schnelles Testen entscheidend ist. Die Maschine verwendet eine Mischung aus zwei Isotopen von Helium, einem Gas, das bei extrem niedrigen Temperaturen flüssig wird, um den Kühleffekt zu erzeugen. Indem das Team die Menge des Materials innerhalb der Maschine minimierte und den Fluss dieses Kühlgases optimierte, stellte es sicher, dass das System Wärme viel schneller abführen kann als seine größeren Gegenstücke. Der gesamte Apparat ist so leicht und klein, dass er potenziell in die engen Zugangspforten von Hochleistungsmagneten platziert oder zusammen mit anderen Experimenten eingesetzt werden kann, ohne dass eine dedizierte, schwere Fundamentierung erforderlich ist.

Obwohl die Maschine ein Wunderwerk an Geschwindigkeit und Größe ist, waren die Forscher sorgfältig darin, über ihre Einschränkungen ehrlich zu sein. Die Kühlleistung, die sie erzeugt, ist etwa zehnmal kleiner als die eines Standard-Großkühlers, und ihre Basistemperatur ist etwas höher. Das bedeutet, dass für Experimente, die die absolut kältesten Temperaturen oder die längstmöglichen Speicherzeiten für Quanteninformationen erfordern, die traditionellen großen Maschinen weiterhin überlegen sind. Dieses neue Gerät ist jedoch nicht dazu gedacht, jene Giganten zu ersetzen. Stattdessen bietet es einen praktischen Weg für das High-Throughput-Screening (Hochdurchsatz-Screening). In der Entwicklung von Quantenhardware müssen Ingenieure oft Dutzende von leicht variierenden Designs testen, um zu sehen, welches am besten funktioniert. Mit einem konventionellen Gerät kann das Testen eines einzelnen Designs eine Woche dauern, was eine schnelle Iteration unmöglich macht. Mit diesem neuen Gerät könnte ein Forscher ein neues Design testen, die Ergebnisse analysieren und innerhalb weniger Stunden mit dem nächsten Test beginnen. Dieser schnelle Feedback-Zyklus ermöglicht eine wesentlich schnellere Verfeinerung von Materialien und Schaltungsdesigns und beschleunigt den gesamten Engineering-Prozess.

Das Team demonstrierte auch, dass die Maschine die komplexen elektrischen Signale verarbeiten kann, die erforderlich sind, um mit dem Quantenchip zu kommunizieren. Sie leiteten Mikrowellensignale durch Koaxialkabel, die an verschiedenen Temperaturstufen verankert waren, um sicherzustellen, dass die Signale sauber und frei von Rauschen bleiben. Trotz des begrenzten Platzes, der die Anzahl der installierbaren Filter einschränkte, blieb das Systemrauschen niedrig genug, um den Zustand der Qubits mit hoher Präzision auszulesen. Die Messungen zeigten, dass sich die Qubits exakt so verhielten, wie es die Theorie vorhersagte, wobei ihre Leistung nur durch die Temperatur der Umgebung begrenzt war und nicht durch die Qualität der Maschine selbst. Dies bestätigt, dass das kompakte Design die Qualität der Daten nicht beeinträchtigt, eine entscheidende Erkenntnis, die den Ansatz für die zukünftige Verwendung validiert.

Mit Blick auf die Zukunft sehen die Forscher einen klaren Weg für weitere Verbesserungen. Sie merken an, dass die Basistemperatur gesenkt und die Abschirmung gegen Rauschen in zukünftigen Versionen verstärkt werden könnte, was die Leistung noch näher an das Niveau der größten Systeme bringen würde. Sie weisen auch darauf hin, dass die Maschine kostengünstig im Betrieb ist und klein genug, um in mehreren Einheiten gleichzeitig eingesetzt zu werden. Dies eröffnet die Tür zu einer neuen Art von Arbeitsablauf, bei dem viele kleine Maschinen parallel laufen und jeweils ein anderes Quantengerät testen, anstatt sich auf eine einzige, massive Maschine verlassen zu müssen, auf deren Nutzung alle warten müssen. Über das Labor hinaus macht die Einfachheit und die geringen Kosten das System zu einem idealen Werkzeug für die Ausbildung, da es Studierenden ermöglicht, praktische Erfahrungen mit supraleitender Quantentechnologie zu sammeln, ohne Zugang zu einer Millionen Dollar teuren Anlage zu benötigen. Indem sie einen Prozess, der einst Tage dauerte, in einen Prozess verwandeln, der nur Stunden dauert, bietet dieser ultrakompakte Kühlschrank einen praktischen Weg, um die Entwicklung der Quantencomputer der Zukunft zu beschleunigen.