Quantencomputer Weltweit erster funktionsfähiger Prototyp eines Diamant-Spin-Quantencomputers

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Fujitsus neuer Prototyp eines Diamant-Spin-Quantencomputers integriert Zinn-Fehlstellenzentren (SnV-Zentren) in photonische integrierte Schaltungen und markiert so einen wichtigen Schritt hin zu skalierbaren Quantencomputern.

Fujitsu hat heute bekannt gegeben, den „weltweit ersten funktionsfähigen Prototyp eines Diamant-Spin-Quantencomputers entwickelt zu haben, der Zinn-Fehlstellenzentren (Tin-Vacancy, SnV) in photonische integrierte Schaltungen integriert (Anmerkung 1,2)“.

Der Prototyp arbeitet bei -271,6 °C. Das ist eine höhere Betriebstemperatur als die typische Betriebstemperatur supraleitender Quantencomputer (-273,13 °C). Fujitsu hat in einer Testumgebung zudem gezeigt, dass Nutzende ihn mithilfe der Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform ohne zusätzliche Spezialkenntnisse einsetzen können. Die Entwicklung ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einer modularen Architektur. Dieser Ansatz zählt aufgrund seiner hohen Fidelity und effizienten optischen Konnektivität zu den vielversprechendsten Möglichkeiten, Quantencomputer zu skalieren.

Bildergalerie

Der Prototyp basiert auf Ergebnissen einer gemeinsamen Forschung, die Fujitsu, die Delft University of Technology und QuTech – ein weltweit führendes Forschungsinstitut für Quantentechnologien und Teil der TU Delft – im Jahr 2020 gestartet haben.

Drei Schlüsseltechnologien für den Diamant-Spin-Quantencomputer

Der Prototyp umfasst folgende drei Technologien, die Fujitsu entwickelt hat:

• 1. Technologie zum heterogenen Bonden und Dünnen von Materialien für skalierbare Quantencomputer-Chips: Für die Herstellung von Quantencomputer-Chips auf Basis von SnV-Zentren entwickelte Fujitsu eine Technologie zum heterogenen Bonden. Sie verbindet hochwertige, zinn-ionenimplantierte Diamantsubstrate mit Aluminiumoxid-/Siliziumdioxid-Substraten. Ergänzend entwickelte Fujitsu eine Dünnungstechnologie, die die Dicke der Diamantsubstrate von mehreren hundert Mikrometern auf mehrere hundert Nanometer reduziert. Damit eignen sich die Substrate für den Einsatz in skalierbaren Quantencomputer-Chips.

• 2. Fertigungstechnologie für photonische integrierte Schaltungen mit SnV-Zentren: Fujitsu entwickelte eine Fertigungstechnologie für photonische integrierte Schaltungen (Anmerkung 3), die Diamantkristalle im Nanometermaßstab mit SnV-Zentren in optische Wellenleiter aus Aluminiumoxid integrieren. Diese sind im sichtbaren Spektralbereich transparent und ermöglichen die Extraktion einzelner Photonen, die die SnV-Zentren beim Auslesen der Qubits emittieren. Für die Bearbeitung der Diamanten nutzte Fujitsu Ergebnisse aus der gemeinsamen Forschung mit der University of Tokyo.

• 3. Technologie zur Umwandlung von Quantenschaltkreisen für den Diamant-Spin-Ansatz: Der Diamant-Spin-Ansatz steuert Qubits durch die Kombination von Licht, Mikrowellen und Hochfrequenzwellen. Fujitsu entwickelte deshalb einen Mechanismus, der Quantenschaltkreise, die durch Quantengatter beschrieben werden, in Steuersequenzen für diese physikalischen Operationen umwandelt. Dadurch ermöglicht die Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform die Steuerung des Systems.

Roadmap für multimodulares und hybrides Quantencomputing

Fujitsu plant, bis 2027 einen funktionsfähigen Prototyp eines multimodularen Diamant-Spin-Quantencomputer zu entwickeln. Darüber hinaus wird das Unternehmen mit der Entwicklung von Technologien beginnen, die den Diamant-Spin-Ansatz mit dem supraleitenden Ansatz integrieren. Damit treibt Fujitsu die Entwicklung großskaliger Quantencomputer weiter voran.

Die Initiative ist Teil der Quantencomputing-Roadmap von Fujitsu. Darin formuliert das Unternehmen das Ziel, bis 2030 praxistaugliches Quantencomputing zu realisieren.

Hintergrund

Der Diamant-Spin-Ansatz nutzt Gitterdefektstrukturen in Diamantkristallen, sogenannte Farbzentren, als Qubits. Diamant verfügt über intrinsische Eigenschaften, die Quantenzustände stabil halten (Anmerkung 4). Dadurch erreicht der Ansatz eine hohe Fidelity. Im Vergleich zu supraleitenden und anderen Ansätzen könnte er zudem ermöglichen, logische Qubits zuverlässig aus einer geringeren Anzahl physikalischer Qubits zu bilden. Licht kann mehrere Quantenmodule flexibel miteinander verbinden (Anmerkung 5,6). So lassen sich Systeme mit modularer Architektur aufbauen und effizient skalieren.

Typischerweise verwendet der Diamant-Spin-Ansatz Stickstoff-Fehlstellenzentren (Nitrogen-Vacancy, NV-Zentren). Diese entstehen durch Stickstoffatom-Verunreinigungen in Diamantkristallen. Für die Entwicklung dieses Prototyps setzte Fujitsu jedoch Zinn-Fehlstellenzentren (SnV-Zentren) ein. Ihre Struktur ist symmetrisch. Zudem reagieren sie weniger empfindlich auf externe Störeinflüsse als NV-Zentren. Damit sind sie eine vielversprechende Option für stabile Farbzentren mit hoher Helligkeit.

Anmerkungen

1 - Nach Angaben von Fujitsu auf Grundlage einer im September 2026 durchgeführten Untersuchung von Fujitsu.

2 - Zinn-Fehlstellenzentrum (Tin-Vacancy, SnV-Zentrum): Eine Gitterfehlstelle in Diamant, die aus einem Zinnatom (Sn) besteht, das zwischen zwei benachbarten Leerstellen positioniert ist. Sie gehört zu den Strukturen, die als Farbzentren bezeichnet werden.

3 - Photonische integrierte Schaltung: Eine integrierte Schaltung, die Informationen verarbeitet, indem sie Licht (Photonen) erzeugt, steuert und detektiert. Im Unterschied dazu übertragen elektronische Prozesse Informationen mithilfe der Eigenschaften von Elektronen.

4 - Intrinsische Eigenschaften, die Quantenzustände stabil halten: Forschungsgruppen, darunter die Delft University of Technology und Fujitsu, haben den Betrieb eines Zwei-Qubit-Gatters mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit von unter 0,1 Prozent nachgewiesen. Dabei nutzten sie Elektronenspins und Kernspins von NV-Zentren in Diamant (Phys. Rev. Applied 23, 034052 (2025)).

5 - Licht ermöglicht die flexible Verbindung mehrerer Quantenmodule: Eine optische Verbindung kann Elektronenspin-Qubits auch über getrennte Chips oder Kryostate hinweg koppeln. Dazu erzeugen Photonen Verschränkung zwischen räumlich getrennten Spins. Ein gemeinsames Forschungsteam von der Delft University of Technology und Fujitsu hat beispielsweise Verschränkung und Quantengatteroperationen zwischen räumlich getrennten NV-Zentren nachgewiesen, die sich in getrennten Kryostaten befinden (Nat Commun 17, 4694 (2026)).

6 - Quantenmodul: Die grundlegende Baueinheit eines Diamant-Spin-Quantencomputers. Sie verfügt über zwei Arten von Spin-Qubits: Elektronenspin-Qubits und Kernspin-Qubits des Kohlenstoffisotops ^13C. Das System lässt sich durch die optische Verbindung mehrerer Quantenmodule erweitern. (mk)

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