In den letzten zehn Jahren wurden verschiedene Systemarchitekturen für Quantensimulationen entwickelt, die auf einem breiten Spektrum von Ansätzen basieren, darunter ultrakalte neutrale Atome, Ionenfallen, Rydberg-Atome, photonische Systeme und supraleitende Schaltungen. Obwohl in allen Bereichen bedeutende Fortschritte erzielt wurden, bleibt eine grundlegende Herausforderung bestehen: Es ist weiterhin nicht möglich, groß angelegte Quantensimulatoren zu schaffen, die effektiv entwickelt, initialisiert und kontrolliert werden können, um komplizierte Aspekte der Quantenvielteilchendynamik zu erforschen.

Ein vielversprechender Ansatz im Quantencomputing ist die Nutzung sogenannter Stickstoffvakanzzentren (NV) in Diamant. Ihre einzigartigen Eigenschaften – stabile und kontrollierbare Quantenzustände bei Raumtemperatur – sind in bahnbrechenden Experimenten nachgewiesen worden. Um dieses Potenzial zu nutzen, baut das Projekt »SPINUS« auf den jüngsten Entwicklungen im Bereich der elektronischen und nuklearen Spin-Netzwerke, der Festkörper-Quantensimulatoren sowie -Computer auf, um diesen technologischen Ansatz in Richtung skalierbarer Festkörper-Systeme voranzutreiben. Dr. Martin Koppenhöfer, Projektkoordinator von »SPINUS« am Fraunhofer IAF, fasst zusammen: „Die Möglichkeit, NV-Zentren bei Raumtemperatur zu betreiben, unterscheidet sie von anderen Quantencomputer-Architekturen. Wir freuen uns darauf, diese Plattform technologisch weiterzuentwickeln und Quantensimulationen und Quantenberechnungen auf größeren Skalen zu demonstrieren.“

Was »SPINUS« außerdem auszeichnet, ist sein umfassender und kooperativer Projektansatz sowie seine innovativen Konzepte und Ansätze. »SPINUS« zielt darauf ab, Durchbrüche im Bereich der Quantentechnologien zu fördern und bestehende Einrichtungen auf diesem Gebiet zu ergänzen, indem es eng mit assoziierten Start-ups und anderen Forschungsprojekten im Quantencomputing-Ökosystem zusammenarbeitet. „Wir wollen das Feld der Quantentechnologien nachhaltig beeinflussen und zur Entwicklung großer Quantensysteme in Europa beitragen, indem wir die Grenzen des derzeit Machbaren verschieben“, betont Dr. Daniel Hähnel, Abteilungsleiter Quantentechnologien am Fraunhofer IAF.

Spinbasierte Quantensimulation mit mehr als 50 Quanteneinheiten

Um ausgereifte Hardware-Plattformen für die Quantensimulation zu entwickeln, die die Vorteile der Quantenphysik in einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen nutzen können, sind Verbesserungen bei der Systemgröße, der Steuerbarkeit und der Programmierbarkeit unerlässlich. Im Rahmen von »SPINUS« werden die Forscher auf der Grundlage von drei verschiedenen Arten von Quantensimulator-Prototypen in all diesen Bereichen über den Stand der Technik hinausgehen: 3D-Kern-Spin-Simulator (Anwendung: Floquet-Phasen, Spin-Diffusion), 3D-Elektronen-Spin-Simulator (Anwendung: offene Systeme, ungeordnete und stark korrelierte Systeme), 2D-Kern-Spin-Simulator (Anwendung: Spinflüssigkeit, topologische Phasen, Heisenberg-Modelle, Kitaev-Modelle, Spin-Diffusion). Ziel ist es, experimentelle Plattformen für Quantensimulationen mit mehr als 50 Quanteneinheiten zu entwickeln.

Alle Simulatoren basieren auf der gleichen Prämisse: kontrollierbare, interagierende Spin-Netzwerke in Diamant und Siliziumkarbid (SiC), die mittels optisch aktiven Defekten genutzt werden. Jeder Simulator verwendet unterschiedliche Konfigurationen von Spins (z. B. 2D vs. 3D, natürlich ungeordnet vs. geordnet), um den Simulator auf spezifische Anwendungen zuzuschneiden.

Spin-basiertes Quantencomputing mit mehr als 10 Qubits

»SPINUS« zielt darauf ab, Quantencomputerplattformen auf der Grundlage von NV-Zentren zu verbessern, indem die Anzahl der nutzbaren Qubits von Quantencomputern auf über 10 Qubits erhöht wird. Zu diesem Zweck wird das Konsortium gekoppelte Arrays von NV-Zentren realisieren und dabei die Güte (engl. »fidelity«) des Quantengatters von mehr als 99,9 % beibehalten und verbessern. Die Forscher werden auch an der Entwicklung einer photoelektrischen Detektion von magnetischen NV-Resonanzen (PDMR) und einer selektiven Auslesetechnologie arbeiten, um den derzeitigen Engpass der selektiven Adressierbarkeit für eine höhere Anzahl von Qubits im Vergleich zu optischen Techniken zu überwinden. Die daraus resultierenden Plattformen sollen eine universelle Quantenrechnung auf der Grundlage von Zwei-Qubit-Gate-Operationen ermöglichen, die durch kontrollierbare dipolare Kopplungen zwischen benachbarten NV-Zentren erleichtert werden.

Zusätzlich zu den technischen Herausforderungen bei der Skalierung von NV-basierten Quantencomputern ist die Entwicklung der erforderlichen Hardware- und Software-Infrastruktur erforderlich. Dazu gehört die Entwicklung verbesserter Methoden für die Kontrolle und das Auslesen des Quantenzustands der Qubits, was für die Erzielung von Gattern mit hoher Güte und genauen Messungen entscheidend ist. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Leistungsfähigkeit von Quantenalgorithmen für verschiedene Anwendungsfälle, sowohl auf algorithmischer Ebene als auch hinsichtlich ihrer Implementierung auf der spinbasierten Rechenplattform.

Während die einzelnen Konsortialpartner individuell bereits beträchtliche Forschungsanstrengungen in diese Richtung unternommen haben, wird sich »SPINUS« gemeinsam den Herausforderungen in den Bereichen Materialdesign, Steuerung, Auslesen, Gerätecharakterisierung und Quantenalgorithmen stellen, um Quantencomputerplattformen auf der Basis von NV-Zentren voranzubringen.

Über Projekt »SPINUS«

»SPINUS« wird vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF koordiniert und profitiert von insgesamt 12 internationalen Partnern, deren Expertise die experimentelle Realisierung von Festkörper-Quantensimulatoren, Spin-basierten Quantencomputern bei Raumtemperatur und skalierbaren Arrays von Diamant-Qubits umfasst.

Das Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm »Horizont Europa« der Europäischen Union finanziert und hat eine Laufzeit von vier Jahren. Das Konsortium besteht aus: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung e. V. für ihr Institut Fraunhofer IAF, Universität Ulm, Danmarks Tekniske Universitet, Universität Stuttgart, Forschungszentrum Jülich GmbH, Universiteit Hasselt, Linkopings Universitet, Technische Universiteit Delft, Wigner Fizikai Kutatokozpont, Fondazione Bruno Kessler, Quantum Brilliance GmbH und AMIRES SRO.

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Dieses Projekt wird von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms »Horizont Europa« unter der Fördervereinbarung Nr. 101135699 gefördert.