Meilenstein für Quantum Computing Anwendungen
Im Rahmen des noch laufenden Verbundprojekts PtQUBE konnte das TransMIT-Zentrum für Adaptive Kryotechnik und Sensorik mit der Präsentation eines neuartigen variablen Kühlsystems nun einen bedeutenden Meilenstein verkünden. Die Neuentwicklung eines Pulsrohrkaltkopfes für variable Eingangsleistungen, sowie dessen Integration in eine Experimentierplattform, stellt den Ausgangspunkt für die weitere Umsetzung des Gesamtprojekts dar. Damit ist das Teilvorhaben der TransMIT erfolgreich abgeschlossen. Die Förderung des Verbundvorhabens Plattform für Tieftemperatur Qubit Experimente (PtQUBE) wurde bereits Anfang 2020 im Kontext der Fördermaßnahme „Schlüsselkomponenten für Quantentechnologien“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit einem Gesamtprojektvolumen von 1,7 Mio. Euro bewilligt. Die Laufzeit des gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) durchgeführten Projektes PtQUBE endet am 31. Januar 2024.
Ziel des Verbundprojektes ist es, eine neuartige, energieeffiziente und nutzerfreundliche Experimentierplattform für Quantenschaltungen zu schaffen, die für ihre Funktion sehr tiefer Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes bedürfen. Dies trifft auf nahezu alle aktuellen Quantencomputer zu, da diese aus supraleitenden Schaltungen bestehen. Der Zugang zu nutzerfreundlichen Experimentierplattformen ist ein Schlüsselelement, das es Informatikern und Technikern erlaubt, sich mit den Eigenheiten von Quantenschaltungen frühzeitig vertraut zu machen und eine praxisnahe Umgebung aus Soft- und Hardwareschnittstellen zu entwickeln.
Vor diesem Hintergrund kombiniert das Verbundvorhaben PtQUBE das in Deutschland vorhandene Know-how im Bereich der supraleitenden Qubits mit neuen Technologien aus der Elektronik und der Kryotechnik. Dabei werden Qubits der neuesten Generation mit einer modernen Kryotechnik betrieben, die weitestgehend automatisierbar und vollständig frei von kryogenen Flüssigkeiten ist. Das Teilvorhaben des TransMIT-Zentrums für Adaptive Kryotechnik und Sensorik betrifft in diesem Zusammenhang insbesondere die Neuentwicklung eines Pulsrohrkaltkopfes zur trockenen und störungsarmen Kühlung sowie dessen Integration zusammen mit weiteren Subkelvin-Kühlstufen in eine skalierbare Experimentierplattform.
Die Plattform wird leicht bedienbar, wartungsarm und dabei kostengünstig sein. Vor allem soll sie Interessenten aus Industrie und Forschungsinstituten – unter Vermeidung der beträchtlichen finanziellen Belastungen, wie sie bislang zum Betrieb solcher hochempfindlicher, supraleitender Quantensysteme erforderlich sind – erlauben, sich mit den grundlegenden Eigenschaften von Quantenbits vertraut zu machen. Dies soll erreicht werden, indem ein Betrieb weitgehend ohne die sonst für derart tiefe Temperaturen notwendige, spezielle Infrastruktur und insbesondere ohne schwierig zu handhabende kryogene Flüssigkeiten, wie etwa flüssiges Helium, ermöglicht wird. Für diesen Zweck ist der nun vom TransMIT-Zentrum für Adaptive Kryotechnik und Sensorik bereitgestellte leistungsvariable Pulsrohrkühler als Vorkühlungssystem zu einer weiteren, magnetisch arbeitenden Kühlstufe (ADR) besonders geeignet. Diese Kühlstufe für Temperaturen unter 100 Millikelvin ist von der Entropy GmbH in München im Unterauftrag hergestellt und adaptiert worden.
„Mit unserem neu entwickelten Kryostaten sowie der anschließenden magnetischen Kühlstufe geht dieses zukunftsweise Projekt zur Komplettierung jetzt zum Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in die nächste Phase“, erläutert Prof. André Schirmeisen, Leiter des TransMIT-Zentrums für Adaptive Kryotechnik und Sensorik. „Wir freuen uns sehr, dass wir angesichts der hohen technologischen Anforderungen unsere variable Kühlung im Verlauf des Projekts immer weiter verbessern und schließlich erfolgreich implementieren konnten. Für die Konstruktion des Gesamtsystems möchte ich dabei insbesondere die langjährige und vertrauensvolle Zusammenarbeit mit Doreen Wernicke und der Entropy GmbH in München hervorheben, ohne die eine effektive Realisierung des Projekts nicht möglich gewesen wäre.“
„Qubits arbeiten erst bei sehr tiefen Temperaturen. Daher ist die Kühlung eine unabdingbare Voraussetzung für die Funktionsweise des gesamten Systems“, unterstreicht Dr. Jens Falter, Projektmanager Cryocooler Systems des TransMIT-Zentrums für Adaptive Kryotechnik und Sensorik. „Unsere skalierbare und computergesteuerte, vor allem aber variable Kühlung durch den neuen Pulsrohrkaltkopf ermöglicht die erforderliche Anpassung an die sensiblen Bedürfnisse von Quantenbits.“
Mehr Informationen zum Verbundvorhaben Plattform für Tieftemperatur Qubit Experimente (PtQUBE) unter: https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/schluesselkomponenten-fuer-quantentechnologien/ptqube.html