Quantencomputer erlauben gegenüber klassischen Computern einen enormen Zuwachs an Rechnerleistung. Allerdings basieren alle bisherigen Ansätze auf Techniken, die nur mit großem infrastrukturellem Aufwand (z.B. Kühlung) realisierbar sind und noch keine kompakten und hochintegrierten Systeme erlauben. Eine auf Festkörper-Spins basierende Architektur, die synthetischen Diamant verwendet, bietet den prinzipiellen Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur betrieben werden kann und den Aufbau eines Quantencomputers erlaubt, dessen Prozessor weniger Ansprüche an die umgebende Infrastruktur stellt.
Quantencomputer
Erste Prototypen zeigen das große Potenzial, aber auch die technischen Herausforderungen. Im BMBF-geförderten Projekt CoGeQ wird an Quantenprozessoren basierend auf optischen Defektzentren in synthetischen Diamantschichten geforscht. Die strukturelle Basis für Quantenprozessoren dieser Art bildet das negativ geladene NV-Farbzentrum in Diamant. NV-Zentren können als eine Art künstliches Atom in einem sehr stabilen Diamantgitter betrachtet werden. Die Drehimpulse (Spins) der beteiligten Elektronen und Atomkerne bilden die sogenannten Qubits, die kleinsten manipulierbaren Speichereinheiten, die der Quantentheorie gehorchen. Die Spin-Zustände können optisch adressiert und ausgelesen sowie mittels Mikrowellenpulsen manipuliert werden. Mit einem Quantencomputer können ganze Zahlenräume gleichzeitig verarbeitet und abgesucht werden, um beispielsweise Arzneimittel zu entwickeln oder den Handel von Aktien in der Finanzwirtschaft zu optimieren. Erste kommerzielle Quantencomputer basierend auf NV-Zentren mit fünf Qubits sind bereits am Markt erhältlich (u.a. SaxonQ GmbH). Sie sind kompakt und mobil und werden bei Raumtemperatur betrieben.
Projektinhalt und -fortschritt
Die Herausforderungen für diese Systeme liegen derzeit noch in der Skalierung der verwendeten Technologiebausteine, wie beispielsweise der gesicherten Erzeugung einzelner NV-Zentren oder der Initialisierung und Auslese von >8 Qubits. In CoGeQ wird an der optischen Auslese und dem Nachweis der dipolaren Spin-Spin-Kopplung geforscht. Die Partner beschäftigen sich dafür entlang der Wertschöpfungskette mit dem Wachstum und der Oberflächenkonditionierung der Diamantsubstrate (Universität Ulm, Quantenoptik; Universität Kassel, Technische Physik), mit der Generation der NV-Zentren und beteiligter 13C-Kernspins (Universität Leipzig, AQS), mit der Kontaktierung der Diamantschichten (Universität Leipzig, HLP), mit der theoretischen und experimentellen Initiierung, Kontrolle und Auslese der Qubitzustände (Universität Ulm, Theoretische Physik und Quantenoptik; Universität Leipzig, AQS) und mit der Entwicklung der Aufbau- und Verbindungstechnologien für die verlustarme Montage des Quantenprozessorchips in einer stabilisierten Umgebung (CiS GmbH).
Projektpartner
- Universität Leipzig, Abt. Angewandte Quantensysteme
- Universität Leipzig, Abt. Halbleiterphysik
- CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, Erfurt
- Universität Kassel, Fachgebiet Technische Physik
- SaxonQ GmbH, Leipzig
- Universität Ulm, AG Jeletzko
- Universität Ulm, Controlled Quantum Dynamics
Projekttreffen 05/2024 an der Universität Kassel
Alle Projektpartner des BMBF-geförderte Verbundvorhabens CoGeQ haben sich am 27.05.2024 an der Universität Kassel zu einem erfolgreichen und informativen Projekttreffen versammelt. Im nun dritten und letzten Jahr der gemeinsamen Forschungsaktivitäten wurden der aktuelle Projektfortschritt und weitere Kooperationen diskutiert. Mit dabei waren die Projektmitarbeiter der Universitäten Kassel, Leipzig und Ulm, von der SaxonQ GmbH und vom CiS GmbH. In CoGeQ wird an spinbasierten Quantenprozessoren basierend auf Farbzentren in Diamant gearbeitet. Alleinstellungsmerkmale dieser Art von Quantenprozessoren sind der vergleichsweise kompakte und ressourcenschonende Aufbau, wozu auch der mögliche Betrieb bei Raumtemperatur und sogar als mobile Anwendung zählen.
Während des Projekttreffens wurden u.a. folgende Zwischenergebnisse vorgestellt und diskutiert: Plasmaätzverfahren zur OF-Planarisierung, Stressentfernung und Formgebung in Diamantproben; Implantationsstrategien für einzelne NV-Zentren; Optimierung der Fidelität von Operationen mit Ein- und Zweiqubitgattern; ein stark miniaturisiertes Aufbaukonzept für den Quantenprozessor; der für die Projektpartner freigegebene Onlinezugang zum Quantenprozessor des Partners SaxonQ.