Quantenmikroprozessoren auf Diamantbasis

Die Voraussetzungen für skalierbare Diamant-Quanten­mikro­prozessoren schaffen und so die wirt­schaft­liche Nutzbarkeit des Quanten­computings in Deutschland beschleunigen – daran arbeitet das Verbund­projekt „Deutsche Brilliance“ seit 1. Dezember 2021. Das BMBF fördert die Kooperation zwischen dem Fraunhofer-IAF, dem Start-up Quantum Brilliance und der Uni Ulm drei Jahre lang über die Maßnahme „Enabling Start-up“ mit 15,6 Millionen Euro. Insgesamt liegt das Projekt­volumen bei 19,9 Millionen Euro. Das Verbund­projekt will die besonderen Material­eigen­schaften von Diamant nutzen und bis 2025 Technologien zur Herstellung und Steuerung diamant­basierter QPUs entwickeln.

Mit QPUs – Quantum Processing Units – sollen Quanten­vorteile für Anwendungen wie beispiels­weise Edge Computing erzielt werden – eine techno­logische Grund­voraus­setzung für die komplexe Infrastruktur des Internets der Dinge, das perspektivisch autonome Mobilität und digita­li­sierte Industrie­produktion ermöglichen kann.

Eine zentrale Heraus­forderung bei der Entwicklung von Quanten­computern ist die techno­logische Realisierung von Qubits. Es existieren verschiedene Ansätze zur Erzeugung von Qubits. Diese können beispiels­weise auf Basis von Kernspins in Festkörpern erzeugt werden. Ein noch junger Ansatz ist hierbei die Nutzung von Diamant als Wirts­material. Quanten­computer auf Diamant­basis versprechen entscheidende Vorteile in der praktischen Anwendung: Sie lassen sich energie­effizienter, verläss­licher und kompakter bauen und betreiben als Quanten­prozessoren auf der Basis supra­leitender Qubits. Statt in komplexen Anlagen auf kryogene Temperaturen gekühlt und evakuiert werden zu müssen, funktionieren Diamant-Qubits aufgrund des äußerst stabilen Diamant­kristall­gitters bei Raumtemperatur und gewöhn­lichen Druck­verhält­nissen.

Diamant-Qubits entstehen durch die Quanten­verschränkung von quasi­freien Elektronen in Stickstoff-Vakanz-Zentren des Diamant­kristall­gitters. Aktuelle Verfahren zur Herstellung solcher NV-Zentren ermöglichen allerdings keine Hoch­skalierung diamant­basierter Qubits hin zu ausreichend großen Zusammen­schlüssen mehrerer Qubits in Form von Arrays, die für das Quanten­computing benötigt werden. Es fehlt bislang namentlich an Verfahren, die eine definierte Platzierung von Stickstoff­atomen im Kristall­gitter ermöglichen. Das ist für die Kopplung mehrerer NV-Zentren zur Erstellung von größeren Arrays aber nötig.

Im Zug seines Teilvorhabens innerhalb des Verbund­projekts entwickelt das Fraunhofer-IAF zum einen Wachstumsprozesse für Diamant­substrate höchster Reinheit und Qualität. In enger Zusammen­arbeit mit Quantum Brilliance erarbeitet es zum anderen Präzisions­fertigungs­techniken zur Herstellung skalierbarer Arrays aus Diamant-Qubits. Die nötige örtliche Genauigkeit bei der Platzierung der Stickstoff­atome von unter einem Nanometer wollen die Forschern mittels Raster­sonden­mikroskopie erreichen.

Parallel zum Teilprojekt des Fraunhofer-IAF arbeitet ein Team unter der Führung von Fedor Jelezko am Institut für Quantenoptik der Uni Ulm daran, skalierbare Auslese- und Steuerungs­techniken für diamant­basierte Qubits zu definieren, mit denen diese präzise kontrolliert werden können.

Fh.-IAF / RK

Weitere Infos

• Projekt DE-BRILL – Deutsche Brilliance: Herstellungsprozess und neuartige Steuerungstechniken für Diamant-Quantencomputer, Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn
• Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik, Freiburg
• AG Jelezko, Institut für Quantenoptik, Universität Ulm