Quantenmikroprozessoren auf Diamantbasis
Verbundprojekt „Deutsche Brilliance“ soll Voraussetzungen für skalierbare diamantbasierten QPU schaffen.
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
