Das Teuerste an einem großen Quantencomputer könnten am Ende die Kabel sein. Finnland hat sich vorgenommen, bis 2035 einen Rechner mit tausend logischen Qubits zu betreiben. Dafür wären Hunderttausende physischer Qubits nötig — und Millionen von Mikrowellenleitungen, um sie anzusteuern. Jede kostet nach heutigen Preisen rund tausend Euro, und jede trägt zusätzliches Rauschen in ein System, das eigentlich Ruhe braucht.

An der Universität Aalto in Finnland ist nun ein Bauteil entstanden, das diesen Kabelbaum eines Tages überflüssig machen könnte. Physiker um Tuomas Uusnäkki und den Quantentechnologie-Professor Mikko Möttönen haben die erste zyklisch arbeitende Wärmekraftmaschine in einem supraleitenden Quantenschaltkreis in Betrieb genommen. Ihre Ergebnisse erschienen am 13. Juli in Nature Communications.

Das Prinzip ist zweihundert Jahre alt, der Maßstab neu. Wärmekraftmaschinen — Dampfmaschine, Verbrennungsmotor, Kraftwerksturbine — verwandeln einen Wärmefluss in nutzbare Arbeit. Bei ultrakalten Atomen und Ionen hatten Physiker das bereits im Quantenbereich vorgeführt. Ausgerechnet bei den supraleitenden Schaltkreisen aber, auf denen die Quantenrechner von Google, IBM und Microsoft beruhen, fehlte die experimentelle Umsetzung.

Herzstück des Aalto-Aufbaus ist ein Transmon-Qubit in einem Kryostaten nahe dem absoluten Nullpunkt. Angetrieben wird es von einem „Quantenkühlschrank", einem an einen Resonator gekoppelten Supraleiter-Schaltkreis. Je nach angelegter Spannung können Quasiteilchen die Schaltung durchtunneln oder eben nicht — und genau daraus gewinnt das Team beide Zustände, die eine Maschine braucht: Das Qubit lässt sich auf Kommando erwärmen und abkühlen. Ein einziges Bauteil übernimmt damit die Rolle von heißem und kaltem Reservoir zugleich, was den Aufbau ungewöhnlich schlank macht.

Positive Leistung, abgelesen am Magnetfeld

Mit sorgfältig getakteten Pulsen trieb das Team das Qubit durch einen Otto-Kreisprozess — dasselbe Verfahren, das im Automotor abläuft. Die Pulse verändern die induktive Energie des Schaltkreises; die verrichtete Arbeit lässt sich an der Schwingungsfrequenz des Transmons und am Magnetfeld des Systems ablesen. Entscheidend ist die Bilanz: Es floss weniger Arbeit hinein als heraus. Die Leistung erreichte mehr als 25 Prozent der Otto-Effizienz.

Der praktische Nutzen liegt nicht im Antrieb, sondern in der Kontrolle. Gelänge auf dieser Grundlage eine vollständig autonome Maschine, könnte sie Qubits auslesen, ohne dass Mikrowellenpulse zwischen Millikelvin und Raumtemperatur hin- und hergeführt werden müssten. Ein Großteil der Verkabelung — und ein Großteil ihrer Kosten — wäre entbehrlich. Genau das wird wichtig, wenn die Qubit-Zahl weiter steigt, wie es praktisch nutzbare Anwendungen verlangen.