Hirnähnlicher Chip arbeitet nahe absolutem Nullpunkt

Quantencomputer gelten als die nächste Stufe der Rechenleistung – sie sollen Probleme lösen, an denen selbst die stärksten Supercomputer scheitern. Doch sie haben ein grundlegendes Problem: Ihre winzigen Recheneinheiten, die sogenannten Qubits, müssen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) gekühlt werden. Die Elektronik, die diese Qubits steuert, arbeitet jedoch bei normalen Temperaturen und erzeugt Wärme. Diese Wärme muss aufwendig abgeführt werden, und die Verbindungskabel zwischen Steuerung und Qubit werden immer länger, je größer der Computer wird – ein echtes Hindernis für den Bau leistungsstarker Quantenrechner.

Forscher der Universität Hongkong haben nun einen Chip entwickelt, der dieses Problem lösen könnte. Der Chip besteht aus Siliziumkarbid (SiC), einem Material, das bereits in Elektroautos und Stromnetzen weit verbreitet ist. Die Wissenschaftler nutzten eine besondere physikalische Eigenschaft dieses Materials: Bei extremer Kälte unter zwei Kelvin (minus 271 Grad) zeigt es einen sogenannten negativen differentiellen Widerstand. Das klingt kompliziert, bedeutet aber im Kern: Der Chip kann mit winzigen Energiemengen auskommen und verhält sich wie ein künstliches Neuron – er feuert elektrische Impulse, ähnlich wie Nervenzellen im Gehirn.

„Unsere Arbeit stellt eine Hardware-Plattform vor, die direkt neben den Quantenprozessoren integriert werden kann“, erklärt Professor Yuhao Zhang, der die Studie leitete. „Durch die einzigartigen Eigenschaften von Siliziumkarbid können wir Schaltkreise bauen, die tausendmal energieeffizienter sind als herkömmliche Elektronik.“ Das senkt die Wärmebelastung in den Kühlsystemen drastisch – und macht den Weg frei für kompaktere und leistungsfähigere Quantencomputer.

Die Forscher konnten zudem zeigen, dass sich mehrere dieser künstlichen Neuronen zu größeren Netzwerken zusammenschalten lassen. Das ist entscheidend für wichtige Funktionen wie die Fehlerkorrektur in Quantencomputern. Und die Anwendungen gehen über die Quantenwelt hinaus: Weil die Chips auch in extrem kalten Umgebungen des Weltraums zuverlässig arbeiten, könnten sie künftig in Raumsonden oder auf dem Mond eingesetzt werden. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.