Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Im Rahmen des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg soll ein miniaturisierter und skalierbarer Quantenprozessor entwickelt und im Vergleich zu den supraleitenden Quantenprozessoren des IBM Quantencomputers „Quantum System One“ mit einem Quantenvolumen von 30 evaluiert werden. Der angestrebte Quantenprozessor basiert auf optisch gekoppelten Quantenregistern, wobei jedes Quantenregister durch 10 Kernspin-basierte Qubits und einen Elektronenspin gebildet wird.
Ziel in der ersten Phase der Forschungsaktivitäten ist die Entwicklung eines Diamant-basierten, spintronischen Quantenregisters für einen skalierbaren Quantenprozessor, um quantenchemische Prozesse zu evaluieren. Dafür wird ein 10-Qubit-Quantenregister entwickelt, das als einziges bisher realisiertes Register auch über einen integrierten Quantenspeicher verfügt.
Das Schlüsselelement des Quantenregisters ist ein optisch adressierbares Farbzentrum in Diamant. Dieses Farbzentrum besitzt einen Elektronenspin, der als Ein- und Auslese-Qubit genutzt wird und der an etwa 10 Kernspins von umgebenden 13C-Atomen stark gekoppelt ist. Da die Stärke der Kopplung zwischen dem Elektronenspin und den 10 Kernspins ihre Dekohärenzrate weit übertrifft, können Zwei-Qubit-Gatter zwischen Elektronenspin und Kernspin oder zwischen Kernspins (indirekt gekoppelt über Elektronenspins) realisiert werden. Darüber hinaus werden die einzelnen Kernspins als Ein-Qubit-Gatter genutzt. Neben den 10 stark gekoppelten Kernspins enthält das Quantenregister weitere 20-40 Kernspins, die aufgrund ihrer größeren Entfernung schwächer an den Elektronenspin des Farbzentrums gekoppelt sind und zum Aufbau eines Quantenspeichers genutzt werden.
Die Leistungsfähigkeit des Quantenregisters, der Qubit-Topologie sowie der Ein- und Zwei-Qubit Quantengatter wird mit den entsprechenden Komponenten des IBM Quantum System One verglichen.
