Interview: Die Bedeutung der Schwingungsisolierung für Quantencomputer

Die Schwingungsisolierung stellt in vielen Bereichen eine Herausforderung dar. Dazu gehören auch Quantencomputer, von denen ein großer Teil unserer heutigen Welt abhängt – von Computern und Mobiltelefonen bis hin zu Jumbojets. Wie funktionieren Quantencomputer und warum ist die Schwingungsisolierung bei ihnen so wichtig? Auf diese und weitere Themen ging TMCin einem Interview mit Brian Keith, Anwendungsingenieur bei TMC, ein.

Bitte stellen Sie sich unseren Lesern vor.

Mein Name ist Brian Keith und ich bin Anwendungsingenieur bei TMC. Ich habe an der Clark University in Physik promoviert, wo ich in einer Forschungsgruppe für neue magnetische Materialien tätig war. Im Rahmen meines Studiums habe ich Quanten-Antiferromagneten hergestellt und deren magnetische Eigenschaften untersucht, um zur Suche nach der Supraleitung bei Raumtemperatur beizutragen – einem der Heiligen Grale der Physik. Nach Abschluss meines Doktoratsstudiums war ich zehn Jahre lang im Bereich der Kryotechnik tätig und arbeite seit zwei Jahren bei TMC.

Was ist der Grundgedanke der Quantenmechanik, auf dem Quantencomputer basieren?

Quantencomputer nutzen die Quantenmechanik – eine außerordentlich erfolgreiche grundlegende physikalische Theorie –, die das Verhalten sehr kleiner Objekte auf der Ebene von Atomen und noch kleineren Teilchen beschreibt. Nach dieser Theorie bestehen kleine Objekte nicht aus festen Teilchen (wie beispielsweise Billardkugeln), sondern sind im Grunde genommen wellenartig. Betrachtet man beispielsweise ein Elektron, ist es genauer, es sich als über einen kleinen Raum verteilt vorzustellen, als dass es eine bestimmte Position hätte.

Kleine Objekte haben also einen Bewegungsbereich und keine definierte, wellenförmige Bewegung. Dies gilt, solange man sie nicht misst. Wenn man ein Quantenobjekt misst oder mit ihm interagiert, wählt das Objekt zufällig einen bestimmten Zustand aus und verhält sich eher wie eine Billardkugel oder ein Teilchen. Solange es nicht gemessen wird, befindet es sich in einer Superposition seiner möglichen Zustände. Alles, was wir vor der Messung wissen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Teilchen in dem einen oder anderen Zustand befindet – was wirklich ein seltsamer Gedanke ist.

Warum sollten wir diesen seltsamen Vorstellungen Glauben schenken?

Nun, 25 % des weltweiten BIP hängen von Technologien ab, die auf der Nutzung der seltsamen Ideen der Quantenmechanik basieren. Ohne die Quantenmechanik gäbe es keine Computer, keine Mobiltelefone, keine Jumbojets usw.

Wie lassen sich Quantenmechanik und Computer miteinander verbinden?

In herkömmlichen Computern kann sich ein Bit zu einem bestimmten Zeitpunkt nur in einem Zustand befinden, entweder 0 oder 1. Wenn Sie zwei Bits hätten, könnten diese 00, 01, 10 oder 11 lauten. Das sind vier verschiedene Zustände; jeder davon kann eine Zahl darstellen, sagen wir 0, 1, 2 und 3. Wenn Sie eine Berechnung durchführen möchten, zum Beispiel die Quadratwurzel einer Zahl, dann kann der Computer dies immer nur für einen dieser Zustände tun, sodass er die Berechnung viermal durchführen würde.

Quantencomputer bestehen jedoch aus quantenmechanischen Bits, den sogenannten Qubits, die ebenfalls zwei Zustände haben, 0 und 1, aber in einer Überlagerung dieser Zustände existieren. Wenn Sie also zwei Qubits haben, befinden diese sich in einer Überlagerung der Zustände 00, 01, 10 und 11. Wenn Sie dieselbe Berechnung für ein Qubit durchführen und eine Zahl potenzieren, müssen Sie die Berechnung nur einmal durchführen, nicht viermal.

Fügt man ein drittes Qubit hinzu, lassen sich acht Zustände durch eine einzige Überlagerung darstellen. Bei 20 Qubits lassen sich eine Million Zustände darstellen. Bei 300 Qubits lassen sich mehr Zustände darstellen als es Teilchen im beobachtbaren Universum gibt.

Warum ist die Isolierung von Schwingungen für Quantencomputer wichtig?

Quantencomputer können sehr leistungsfähig sein, sind aber auch sehr empfindlich. Qubits befinden sich in einer Superposition von Zuständen, solange sie nicht von der Außenwelt beeinflusst werden. Wechselwirkungen mit der Umgebung können beispielsweise ein Magnetfeld sein, das von einem Aufzug in der Nähe des Quantencomputers oder von einem Lichtstrahl erzeugt wird, eine zufällige Temperaturschwankung im Raum oder auch Bodenvibrationen. Die von einer dieser Quellen übertragene Energie kann leicht zum Zusammenbruch der Qubits führen, wodurch sich ihre Wellennatur eher in eine Teilchennatur verwandelt.

Sobald die Qubits zu Teilchen werden, befinden sie sich nicht mehr in einer Superposition von Zuständen und werden im Grunde genommen zu Bits, wie bei herkömmlichen Computern. Dieses Problem wird als Kohärenzproblem bezeichnet. Qubits erfüllen ihre Funktion nur dann, wenn sie kohärent sind, und kohärent sind sie genau dann, wenn sie von der Außenwelt isoliert sind. Ein Großteil der technischen Bemühungen im Bereich der Quantencomputer besteht darin, eine Umgebung zu schaffen, die so weit wie möglich von den Wellen der Außenwelt isoliert ist.

Welche Strategien werden angewendet, um die Isolation dieser Computer von der Außenwelt aufrechtzuerhalten?

Alle Bemühungen zur Schaffung einer isolierten Umgebung drehen sich um die Kryogenik-Strategie. Es gibt mehrere konkurrierende Strategien zur Aufrechterhaltung einer kalten und ruhigen Umgebung, doch die gängigste Methode ist die Umhüllung des Qubit-Prozessors mit einem Verdünnungskühlschrank. Der Verdünnungskühlschrank nutzt flüssiges Helium zur Kühlung der Umgebung. Um Temperaturen unter 1 Kelvin zu erreichen, wird ein spezielles Verfahren eingesetzt, bei dem ein verdünntes Gemisch aus Helium-4 und dem seltenen Isotop Helium-3 verwendet wird. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Temperatur im Weltall beträgt etwa 2,7 Kelvin.

Ein sehr wichtiger Punkt ist jedoch, dass Helium eine nicht erneuerbare Ressource ist. Wenn es von der Erde freigesetzt wird, entweicht es ins Weltall, wo es für immer verloren geht, sofern es nicht wieder zurückgewonnen wird. Der Preis für Helium ist sehr hoch, und die US-Regierung begrenzt die Menge an Helium, die Institutionen jährlich kaufen dürfen. Für einen Liter Helium-4 zahlt man 30 Dollar und für einen Liter Helium-3 etwa 3.000 Dollar. Fast alle heutigen Verdünnungskühlschränke werden als „trocken“ bezeichnet. Das bedeutet, dass sie denselben Kühlkreislauf nutzen wie ein gewöhnlicher Haushaltskühlschrank.

Anstelle von Freon wird jedoch Helium als Kältemittel verwendet, und der Kühlkreislauf ist sehr effizient, sodass sehr niedrige Temperaturen erreicht werden können. Der Kreislauf ist jedoch relativ heftig; Hochdruckgas strömt durch geflochtene Metallrohre, und im Inneren des Kühlschranks bewegt sich ein Kolben mit großer Kraft. Diese Aktivität führt zum größten Nachteil dieser Kühlschränke – sie bringen enorme Vibrationen in das System ein.

Wie lässt sich feststellen, ob die Kühlung zum Zusammenbruch der Qubits führt?

Häufig werden die vom Kühlschrank verursachten Schwingungen vom System isoliert und über elastische Balge in Richtung Boden abgeleitet. Der Boden vibriert dann, sodass die am Boden befestigte Konstruktion des Kühlschranks weiterhin den über den Boden selbst übertragenen Schwingungen ausgesetzt ist. In meinem Labor habe ich beobachtet, dass die Frequenzen dieser Schwingungen in der Regel Spitzenwerte bei etwa 1 Hz, 30 Hz und 60 Hz aufweisen, aber jeder Laborraum ist anders, sodass eine Untersuchung der Bodenschwingungen die spezifische Dynamik des gesamten Systems aufdecken kann.

Welche Möglichkeiten gibt es, um dieses Problem zu mindern?

Wenn im Boden niederfrequente Schwingungen im Bereich von 0,5 Hz bis 100 Hz auftreten, kann das STACIS® Quiet Island-System von TMCAbhilfe schaffen . STACIS Quiet Island besteht aus STACIS-Isolatoren, die eine maßgefertigte, 4" dicke Stahlplattform tragen, deren Abmessungen speziell auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sind. Die STACIS-Isolatoren sorgen für eine Reduzierung der Bodengeräusche um 87–96 % bei einer Frequenz von 1 Hz und um mehr als 99 % bei einer Frequenz von 2 Hz.

Wenn der Boden eine höhere Schwingungsfrequenz aufweist, können wir zusätzlich zu den Luftisolatoren mit Kardankolben einen optischen Oberbau aus Waben liefern, bei dem es sich im Wesentlichen um eine Metallversion einer Zimmermann-Torsionsbox handelt. Luftisolatoren wirken wie eine weiche Feder mit einer Resonanzfrequenz von 2 Hz. Oberhalb dieser Resonanzfrequenz sorgen sie für die Isolierung.

Wenn es aufgrund der Gegebenheiten nicht möglich ist, den Kühlschrank von der Umgebung zu trennen, kann der Einsatz eines ElectroDamp-Dämpfersin Betracht gezogen werden . ElectroDamp nutzt Linearmotoren, die mit ihrer Kraft direkt auf den Kühlschrank einwirken und dessen Bewegung verhindern. Die MagNetX-Produktreihe stellt eine nicht-invasive Lösung dar, die bei Bedarf eine EMI-Entstörung im gesamten Raum gewährleisten kann.

 Quelle:TMC

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