Quantencomputer auf Diamantbasis Quantenmikroprozessor in Brotdosengröße

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Quantencomputer haben enormes Potenzial für Anwendungen wie Edge Computing für das IIoT oder die autonome Mobilität. Allerdings sind die Rechner derzeit noch viel zu groß und nicht skalierbar, um sie hier zu nutzen. Ein Durchbruch ist jetzt DE-Brill gelungen: Eine QPU in der Größe einer Brotdose.

Die disruptive Technik des Quantencomputings ist bislang noch nicht wirklich über das Laborstadium hinaus gekommen. Das liegt an der Größe, der notwendigen Kühlung und mangelnder Skalierbarkeit der Computer. Verschiedene Initiativen und Verbundprojekte wie DE-Brill, GeQCoS oder das gerade gegründete Munich Quantum Valley sollen das ändern.

Bis zum Jahr 2025 will die Forschungskooperation „Deutsche Brilliance“ (DE-Brill) zwei zentrale Herausforderungen rund um diamantbasierte Quantencomputer lösen: Erstens die Entwicklung eines Verfahrens für die definierte Platzierung von Stickstoffatomen im Diamant-Kristallgitter zur Herstellung von Quantenmikroprozessoren.

Zweitens sollen neue Verfahren für die selektive Initialisierung, das Auslesen und die Manipulation von Qubits in Quantencomputern mit vielen Prozessorknoten gefunden werden. Beide Aspekte bilden wichtige Meilensteine auf dem Weg hin zu einer Kommerzialisierung der Quantencomputing-Technologie.

DE-Brill besteht aus dem australisch-deutschen Start-up Quantum Brilliance, dem Freiburger Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und dem Institut für Quantenoptik der Universität Ulm.

Mit Quantenmikroprozessoren („Quantum Processing Units“, QPUs) sollen Quantenvorteile für Anwendungen wie Edge Computing erzielt werden – eine Grundvoraussetzung für die komplexe Infrastruktur des IoTs, das perspektivisch autonome Mobilität und digitalisierte Industrieproduktion ermöglichen kann.

Vorteile und Grenzen diamantbasierter Quantencomputer

Quantencomputer auf Basis von synthetisch hergestellten Diamanten bieten entscheidende Vorteile in der praktischen Anwendung, da die Quanteneigenschaften dank der Stabilität des Diamant-Kristallgitters erhalten bleiben – sogar bei Raumtemperatur und normalen Druckverhältnissen.

Im Gegensatz zu Quantencomputing-Technologien, die eine energieintensive Kühlung, beispielsweise mit flüssigem Helium, erfordern, lassen sich auf Basis synthetischer Diamanten Quantenbeschleuniger in kleinen Formfaktoren herstellen, die überall eingesetzt werden können.

Diamant Qubits: Quantenverschränkung in NV-Zentren

Diamant-Qubits entstehen durch die Quantenverschränkung von quasi-freien Elektronen in sogenannten Stickstoff-Leerstellen-Zentren („nitrogen-vacancy centers“, NV-Zentren) des Diamantkristallgitters. Dazu werden gezielt Verunreinigungen in das Diamantgitter implantiert, bei denen ein Stickstoffatom den Platz eines Kohlenstoffatoms einnimmt und am Platz eines benachbarten Kohlenstoffatoms eine Leerstelle (kein Atom) entsteht.

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 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.

Mini-QPUs: Gezielt Fehlstellen ins Diamantgitter einbringen

Mit gezielt in Diamanten implementierte NV-Zentren etwa durch Ionenimplantation lässt sich Quantenrechenleistung in klassischen Rechensystemen bereitstellen – eine Grundvoraussetzung für die Kommerzialisierung der Technologie und den Schritt aus dem Labor in die Praxis. Hier liegt die Expertise von Quantum Brilliance. Die erste entsprechende Produktgeneration hat bereits Marktreife erreicht, in der Größe eines 19-Zoll-Server-Rack-Moduls. Die nächsten Miniaturisierungsschritte stehen unmittelbar bevor. Dann sollen die Quantenrechner nur noch so groß sein wie eine Brotdose.

Im Rahmen der Kooperation entwickeln Fraunhofer IAF und Quantum Brilliance gemeinsam Präzisionsfertigungstechniken zur Herstellung skalierbarer Arrays aus Diamant-Qubits. Darüber hinaus wird das Fraunhofer IAF an Wachstumsprozessen für Diamantsubstrate höchster Reinheit arbeiten.

Parallel dazu entwickelt ein Team unter der Führung von Prof. Dr. Fedor Jelezko am Institut für Quantenoptik der Universität Ulm skalierbare Auslese- und Steuerungstechniken für diamantbasierte Qubits, mit denen sich diese präzise steuern lassen.

Bisher einmaliger Ansatz

„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 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.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt seit dem 1. Dezember 2021 das Vorhaben drei Jahre lang über die Fördermaßnahme „Enabling Start-up – Unternehmensgründungen in den Quantentechnologien und der Photonik“ mit 15,6 Mio. Euro. Insgesamt liegt das Projektvolumen bei 19,9 Mio. Euro.

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