EPFL-Ingenieure haben ein Gerät entwickelt, das Wärme bei Temperaturen, die unter denen des Weltraums liegen, effizient in Spannung umwandeln kann. Die Innovation könnte dazu beitragen, ein großes Hindernis für die Weiterentwicklung der Quantencomputertechnologie zu überwinden, die extrem niedrige Temperaturen erfordert, um optimal zu funktionieren

Um Quantencomputing durchzuführen, müssen Quantenbits (Qubits) auf Temperaturen im Millikelvin-Bereich (fast -273 Grad Celsius) abgekühlt werden, um die atomare Bewegung zu verlangsamen und Rauschen zu minimieren. Allerdings erzeugt die zur Steuerung dieser Quantenschaltkreise verwendete Elektronik Wärme, die bei so niedrigen Temperaturen nur schwer abgeführt werden kann. Infolgedessen müssen die meisten aktuellen Technologien Quantenschaltkreise von ihren elektronischen Komponenten trennen, was zu Rauschen und Ineffizienz führt, die die Realisierung größerer Quantensysteme außerhalb des Labors behindern.

Forscher des Labors für Nanoelektronik und Strukturen (LANES) der EPFL unter der Leitung von Andras Kis haben nun ein Gerät entwickelt, das nicht nur bei extrem niedrigen Temperaturen arbeitet, sondern auch bei Raumtemperatur genauso effizient ist wie aktuelle Technologie. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

LANES-Doktorandin Gabriele Pasquale sagte: „Wir sind die ersten, die ein Gerät entwickelt haben, das die Umwandlungseffizienz der aktuellen Technologie erreicht, aber bei den für Quantensysteme erforderlichen niedrigen Magnetfeldern und extrem niedrigen Temperaturen funktioniert. Diese Arbeit ist wirklich ein Fortschritt.“

Das innovative Gerät kombiniert die hervorragende elektrische Leitfähigkeit von Graphen mit den Halbleitereigenschaften von Indiumselenid. Diese neuartige Kombination aus Materialien und Struktur ist nur wenige Atome dick und verhält sich wie ein zweidimensionales Objekt. Sie führt zu einer beispiellosen Leistung.

Das Gerät nutzt den Nernst-Effekt: ein komplexes thermoelektrisches Phänomen, das eine Spannung erzeugt, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu einem Objekt steht, dessen Temperatur sich ändert. Der 2D-Charakter von Laborgeräten ermöglicht die elektrische Steuerung der Effizienz des Mechanismus.

Die 2D-Strukturen wurden im EPFL Micro-Nano Technology Center und im LANES Laboratory hergestellt. Die Experimente umfassten den Einsatz von Lasern als Wärmequellen und speziellen Verdünnungskühlschränken, um 100 Millikelvin zu erreichen, eine Temperatur, die sogar kälter als im Weltraum ist.

Die Umwandlung von Wärme in Spannung bei solch niedrigen Temperaturen ist normalerweise eine große Herausforderung, aber das neue Gerät und die Ausnutzung des Nernst-Effekts machen dies möglich und schließen eine wichtige Lücke in der Quantentechnologie.

„Wenn Sie Ihren Laptop in einem kalten Büro stehen lassen, erwärmt sich der Laptop dennoch während der Arbeit, wodurch die Temperatur im Raum ansteigt. In Quantencomputersystemen gibt es derzeit keinen Mechanismus, der verhindert, dass diese Wärme die Qubits beeinträchtigt. Unser Gerät kann für diese notwendige Kühlung sorgen“, sagte Pasquale.

Pasquale, ein ausgebildeter Physiker, betonte, dass die Forschung bedeutsam sei, weil sie Aufschluss über die Umwandlung thermoelektrischer Energie bei niedrigen Temperaturen gebe – ein bisher unerforschtes Phänomen. Angesichts der hohen Umwandlungseffizienz und der Verwendung potenziell herstellbarer elektronischer Komponenten ist das LANES-Team außerdem davon überzeugt, dass ihr Gerät bereits in bestehende Niedertemperatur-Quantenschaltkreise integriert werden kann.

„Diese Ergebnisse stellen einen großen Fortschritt in der Nanotechnologie dar und versprechen die Entwicklung fortschrittlicher Kühltechnologien, die für Quantencomputing bei Millikelvin-Temperaturen von entscheidender Bedeutung sind“, sagte Pasquale. „Wir glauben, dass dieser Erfolg die Kühlsysteme für zukünftige Technologien revolutionieren wird.“