Durchbruch: Quanten-Wärmekraftmaschine bringt größere Quantencomputer einen Schritt näher

Ein mikroskaliger Quanten-Wärmekraftmotor, der thermische Energie bei Temperaturen nahe Null in nutzbare Arbeit umwandelt, hat den Weg für die Realisierung eines effizienteren Quantencomputers geebnet.

Die Wissenschaftler der Aalto University haben die erste Maschine entwickelt, die in der Lage ist, einen gesamten quantenmechanischen Zyklus innerhalb eines supraleitenden Stromkreises durchzuführen. Die gesamte Maschine ist kleiner als ein Sandkorn. Das Quantenbit, das als quantenmechanischer Informationsträger dient, wird als Substanz im Motor verwendet.

Der Akademieprofessor Mikko Möttönen leitete das Projekt, das in Nature Communications veröffentlicht wurde. Die Maschine nutzt die gleiche Grundidee wie Motoren in Autos und Kraftwerken. Solche Maschinen erzeugen Arbeit durch den Austausch von Energie von warmen zu kalten Umgebungen.

Die von Aalto entwickelte Maschine funktioniert auf einem mikroskopischen Chip, auf dem die Quantenphysik das Verhalten winziger Energien bestimmt.

Forscher verwenden einen Kühlschrank, um den Qubit zu erwärmen und zu kühlen

Der Motor enthält einen flussabstimmbaren Transmon-Qubit, der mit einem Resonator und einem Quantenkreis-Kühlschrank verbunden ist. Transmons sind bereits in supraleitenden Quantencomputern üblich.

Ingenieure nutzen Mikrowellensignale, um sie zu steuern, während sie Quanteninformationen halten und verarbeiten. Hier ersetzte der Transmon das Gas, das normalerweise als Arbeitsmaterial in einem Standardmotor dienen würde.

Der Kühlschrank führte zwei entgegengesetzte Aufgaben aus. Normale Wärmekraftmaschinen sind oft auf separate heiße und kalte Quellen angewiesen. Das Aalto-Team änderte die Einstellungen eines Geräts so, dass es den Qubit während eines Teils des Prozesses erwärmen und während eines anderen kühlen konnte. Die Forscher änderten auch die Energielevel des Qubits zu sorgfältig gewählten Zeitpunkten.

Diese Sequenz vervollständigte alle vier Teile eines Quanten-Otto-Zyklus. Benzinmotoren nutzen den gewöhnlichen Otto-Zyklus durch die Kompression und Expansion von Kraftstoff und Luft in den Zylindern.

Die neue Maschine hatte kein komprimiertes Gas. Ein einzelner Qubit tauschte extrem kleine Energiemengen in einem Stromkreis aus, der bei kryogenen Temperaturen gehalten wurde.

Der Erstautor der Studie, Tuomas Uusnäkki, erklärte das Setup. „In unserem Experiment bauten wir einen nanofabrizierten Wärmekraftmotor mit supraleitenden Schaltkreisen und betrieben ihn in einem Kryostaten nahe dem absoluten Nullpunkt. Im Herzen steht ein Transmon-Qubit, einer der grundlegenden Bausteine moderner Quantentechnologien“, sagte Tuomas.

Bitcoin-Entwickler verfolgen, wie Quantenalgorithmen die Netzwerksicherheit beeinflussen könnten

Quantencomputing ist auch für Bitcoin relevant, obwohl die Sicherheitsfrage von der Wärmekraftmaschine getrennt ist. Satoshi Nakamoto behandelte klassisches Brute-Force nie als praktische Gefahr, und das bleibt so. Das Quantenproblem hat zwei Teile. Der eine betrifft Hashing, der andere digitale Signaturen.

Grover-Algorithmus kann die Suche nach möglichen Antworten beschleunigen. Wenn er gegen SHA-256 eingesetzt wird, würde er den effektiven Schutz des Systems von 256 Bit auf etwa 128 Bit senken.

Dieses Niveau liegt weit jenseits der heute verfügbaren Maschinen. Forscher sagen, ein Angreifer würde Quantenhardware benötigen, die viel größer ist als alles, was derzeit existiert.

Shor-Algorithmus stellt die größere Sorge dar, da er Signaturen statt Hashes angreift. Ein leistungsfähiger genug Quantencomputer könnte einen privaten Schlüssel aus einem öffentlichen Schlüssel berechnen, der bereits auf der elliptischen Kurve, die von Bitcoin (BTC) verwendet wird, offengelegt wurde.

Etwa 7 Millionen Bitcoin, fast 35 % des Gesamtangebots, befinden sich in Adressen mit sichtbaren öffentlichen Schlüsseln. Diese Bestände könnten anfällig werden, wenn die erforderliche Hardware jemals gebaut wird.

Quantum AI bei Google, einer Einheit von Alphabet Inc. (NASDAQ: GOOGL), enthüllte 2026 eine Studie, die die prognostizierte Anzahl physischer Qubits, die benötigt werden, um die Kurve von Bitcoin zu knacken, auf etwa 500.000 senkte. Moderne Quantencomputer haben normalerweise nicht mehr als 1.000 bis 1.500 Qubits.

Forscher sehen eine realistische Bedrohung zwischen 2029 und 2035, basierend auf Fortschritten in der Fehlerkorrektur.

Satoshi diskutierte die Hash-Sicherheit 2010 mehrmals, einschließlich der Möglichkeit einer partiellen SHA-256-Kollision. Sein vorgeschlagener Antwort blieb gleich. Entwickler müssen zuerst die ehrliche Blockchain sichern und dann die kompromittierte Funktion ersetzen.

Die nachfolgenden Updates von Bitcoin hatten keinen Einfluss auf die im Netzwerk verwendete Hash-Funktion. Segregated Witness wurde 2017 eingeführt, während Taproot 2021 eingeführt wurde.

Quantenresistenz wurde dank eines gestiegenen Bewusstseins für Grover- und Shor-Algorithmen ab etwa 2020 zu einem großen Thema unter Entwicklern.