Vorteile und Grenzen diamantbasierter Quantencomputer

Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von Quantencomputern ist die technologische Realisierung von Quantenbits (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 quasi-freien Elektronen in Stickstoff-Vakanz-Zentren (»nitrogen-vacancy centers«, NV-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.

Herstellungsprozess für das Basismaterial skalierbarer Diamant-Quantencomputer

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 Forschenden mittels Rastersondenmikroskopie erreichen.

»Dieser Ansatz zur gezielten Platzierung von NV-Zentren ist bislang einmalig und ein entscheidender Schritt zur Skalierung von NV-Arrays für die Anwendung im Quantencomputing«, erklärt Dr. Ralf Ostendorf, Projektleiter auf Seiten des Fraunhofer IAF. Das Verbundprojekt »DE-Brill« werde aus diesem Grund auch dazu beitragen, die Technologie im Hinblick auf zukünftige Forschungsprojekte sowie den industriellen Einsatz in Bereichen der Sensorik, Bildgebung oder Kommunikation weiterzuentwickeln.

Parallel zum Teilprojekt des Fraunhofer IAF arbeitet ein Team unter der Führung von Prof. Dr. Fedor Jelezko am Institut für Quantenoptik der Universität Ulm daran, skalierbare Auslese- und Steuerungstechniken für diamantbasierte Qubits zu definieren, mit denen diese präzise kontrolliert werden können.

Quantum Brilliance am Standort des Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer IAF und Quantum Brilliance arbeiten im Rahmen von »DE-Brill« eng zusammen. Um die Anlageninfrastruktur am Standort Freiburg bestmöglich zu nutzen und kurze Austauschzyklen zu gewährleisten, ermöglicht das Fraunhofer IAF einem Team von Quantum Brilliance hierfür exklusiv, institutseigene Räumlichkeiten zu nutzen.

Der gemeinsame Standort erlaubt den Verbundpartnern in besonderer Weise, schnell auf Mess- und Charakterisierungsergebnisse zu reagieren, laufende Versuchsprozesse unmittelbar zu verbessern und einen kontinuierlichen Wissensaustausch zu pflegen. »Dass wir gemeinsam vor Ort am Fraunhofer IAF arbeiten können, ermöglicht uns einen beispiellosen gegenseitigen Know-how-Transfer, von dem das Projekt sehr profitiert«, betont Dr. Mark Mattingley-Scott, der bei Quantum Brilliance als General Manager unter anderem für den europäischen Wirtschaftsraum verantwortlich ist.