Fortschritte bei der Entwicklung von Quantencomputing-Hardware aus diamantbasierten Spin-Photonen-Qubits

Die Verbundpartner des Projekts »SPINNING – Quantencomputer auf Basis von Spin-Qubits in Diamant« trafen sich am 5. und 6. Juli 2023 am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF zum dritten Projekttreffen, um die Fortschritte in ihren Arbeitsgebieten vorzustellen. Es wurde deutlich, dass sich die Teilprojekte auf einem sehr guten Weg befinden. Der in »SPINNING« verfolgte Ansatz zeichnet sich dadurch aus, dass die Quantencomputing-Hardware aufgrund der besonderen Materialeigenschaften von Diamant einen geringeren Kühlbedarf, längere Operationszeiten und kleinere Fehlerraten als andere Qubit-Technologien hat. Das Konsortium besteht aus 28 Partnern, darunter Universitäten, Forschungseinrichtungen, Start-ups und mittelständische Unternehmen.

Enge Zusammenarbeit für Spin-Photonen-basierten Quantencomputer

»Das Meilensteintreffen des ›SPINNING‹-Konsortiums hat gezeigt, dass sich eine sehr enge Zusammenarbeit zwischen allen Partnern entwickelt hat. Damit haben wir ein vielversprechendes Fundament geschaffen, um die großen Herausforderungen bei der Entwicklung eines Quantenprozessors auf Basis von Spin-Photonen gemeinsam zu meistern«, resümiert Dr. Peter Knittel, Stellvertretender Geschäftsfeldleiter Quantensysteme am Fraunhofer IAF. »Die vorgestellten Ergebnisse stimmen optimistisch, dass wir unser Projektziel erreichen und eine skalierbare Architektur für Quantenprozessoren basierend auf Spin-Qubits demonstrieren können«, blickt der Projektkoordinator und kommissarische Institutsleiter des Fraunhofer IAF, Prof. Dr. Rüdiger Quay, voraus.

Zwischenergebnisse der Teilprojekte: Quantencomputing-Hardware und -Software

Im Bereich der Hardware-Entwicklung konnten mehrere Designs für Resonatoren und Wellenleiterstrukturen in Diamant erfolgreich hergestellt werden, was die zeitnahe Integration von Farbzentren in die Resonatoren ermöglicht. Die Demonstration von Farbzentren in Siliziumcarbid-(SiC-)Wellenleitern mit gezielter Ansteuerung von 5 Qubits als Register wurde erstmalig gemeistert. Im Bereich der Infrastruktur wurden mehrere Kryostate in Betrieb genommen, die für den finalen Demonstrator essentiell sind. Sie sind außerdem nötig, um die gekoppelten Quantenregister zu charakterisieren. Zudem wurde ein Raumtemperatur-Testsystem für Spin-Qubits implementiert und das Prozessordesign für ein 2-Qubit-Register finalisiert.

Auf Seiten der Software konnten Hardware-unabhängige Benchmarks definiert werden, unter anderem durch Nutzung eines digitalen Zwillings. Die Benchmarks ermöglichen es, die Quantenprozessoren und die Fehlerkorrekturalgorithmen zunächst virtuell, später an der realen Hardware zu testen. Außerdem wurde ein Software-Stack für die optimale Kontrolle von 1-, 2- sowie 3-Qubit-Gates realisiert und eine Schnittstelle zum Software-Stack des Partners Quantum Brilliance geschaffen.

Fraunhofer IAF koordiniert »SPINNING«-Verbund

Das Fraunhofer IAF leitet das Konsortium und bringt darüber hinaus seine Forschungsinfrastruktur und Fähigkeiten in der Epitaxie von hochreinem Diamant sowie Prozessierung von Quantenregistern und Prozessoren in den Projektverbund ein. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert »SPINNING« über einen Zeitraum von drei Jahren.