Im Zentrum des Verbundprojekts QC4BW steht die Entwicklung eines diamantbasierten Quantenprozessors, der auf den einzigartigen Eigenschaften von Diamant-Farbzentren basiert. Das Projekt startete im Januar 2021, die zweite Phase des Projekts (QC4BW II), die zu Beginn des Jahres eingeleitet wurde, wird im März 2024 erfolgreich abgeschlossen werden.

Die Diamant-Farbzentren nutzen die Spins von Elektronen und Atomkernen als Quantenbits (Qubits), um Quanteninformationen zu speichern und zu verarbeiten. Der diamantbasierte Quantenprozessor basiert auf einer neuen Generation von Spin-basierten Quantenregistern und verfügt über integrierte Speicherfunktionen für quantenmechanische Zustände. Die einzigartige Leistungsfähigkeit des diamantbasierten Quantenprozessors wird im Vergleich zu supraleitenden Qubit-Technologien analysiert, um seine Eignung für anwendungsrelevante Quantencomputer-Aufgaben zu bewerten. Für diese Berechnungen steht der IBM Quantencomputer Quantum System One zur Verfügung.

Als chemische Anwendungsfälle werden die Speicherung von CO₂ in metallorganischen Gerüstverbindungen ebenso wie elektronische Anregungen in organischen Molekülen untersucht. HQS hat dazu im Auftrag der Institute Fraunhofer IAF und ICT ein auf derartige chemische Systeme zugeschnittenes Setup bereitgestellt, mithilfe dessen Teile der Simulationen auf einen Quantenprozessor ausgelagert werden können. HQS verwirklichte dies unter anderem mithilfe seiner eigenen Open-Source-Anwendung, dem Active Space Finder (ASF), der die Auswahl aktiver Orbitale in Molekülen automatisiert: Der Auswahlprozess bestimmt die wichtigsten Orbitale, die auf dem Quantencomputer abgebildet werden müssen.

Im Rahmen der Arbeit hat HQS für die verschiedenen molekularen Systeme spezifische aktive Räume unterschiedlicher Größe ermittelt. Gleichzeitig sind die Anzahlen der aktiven Orbitale jeweils optimal, um entweder auf einem im Entwicklungsstadium befindlichen diamantbasierten Quantenprozessor abgebildet werden zu können oder auch auf anderen Systemen wie dem IBM Quantum System One. Die gelieferte Software implementiert den vollständigen Arbeitsfluss von der Molekülstruktur hin zur Berechnung energetischer Größen unter Benutzung der Quantenchemiesoftware PySCF. Für die Einbindung des Quantencomputers wird eine Schnittstelle zur Software Qiskit genutzt.

Ziel ist es, die Anwendung von Quantentechnologie in Bereichen wie molekularer Modellierung und chemischer Forschung voranzutreiben. Durch die Simulationen auf dem diamantbasierten Quantenprozessor können neue Erkenntnisse in der molekularen Modellierung gewonnen werden. 

Über QC4BW

Das Verbundprojekt QC4BW mit dem Arbeitstitel »Entwicklung und Benchmarking eines diamantbasierten, spintronischen Quantenregisters für einen skalierbaren Quantenprozessor« ist ein gemeinschaftliches Vorhaben unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF. Zu den beteiligten Partnern gehören das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Stuttgart, die Universität Ulm und die Universität Konstanz. Dieses wegweisende Projekt wird im Rahmen des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg (KQCBW) geführt und durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert.

Über HQS Quantum Simulations

HQS Quantum Simulations wurde 2017 als Spin-off des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gegründet und entwickelt Software zur Simulation von Quantensystemen. Die Software des Start-ups funktioniert auf normalen Computern, kann aber leicht auf Quantencomputer übertragen werden. Mit diesem Ansatz will HQS Quantum Simulations Unternehmen und Forschern ermöglichen, ihre Simulationsabläufe schnell und effizient auf Quantencomputer zu übertragen, sobald diese verfügbar sind.

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