Quantencomputing Wie aus Diamanten Qubits werden

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Die Start-ups SaxonQ und XeedQ aus Leipzig entwickeln im Auftrag des DLR Quantencomputer, die auf Stickstoff-Fehlstellen in Diamant basieren. Solche Stickstoff-Fehlstellen in künstlichen Diamanten bilden Qubits.

Diamant-Kristall mit NV-Spins.
Diamant-Kristall mit NV-Spins.
(Bild: XeedQ)

Diamanten sind faszinierende Gebilde aus Kohlenstoff: Die Kristalle sind so hart wie kein anderer natürlicher Stoff, sie sind wertvolle Schmuckstücke – und sie können das Quantencomputing voranbringen.

Ein vielversprechender Technologieansatz für das Quantencomputing ist die Realisierung von Qubits auf Basis von NV-Zentren in Diamant. Das bedeutet, dass sich die Rechen- und Speichereinheiten eines Quantencomputers in bestimmten Stickstoff-Fehlstellen (nitrogen-vacancy, NV) von Diamanten befinden. Die Quantencomputing-Initiative des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat jetzt Verträge mit SaxonQ und XeedQ zum Bau von NV-basierten Quantencomputern geschlossen. Die beiden Firmen aus Leipzig verfolgen unterschiedliche Ansätze für die Herstellung von NV-Zentren. Die DLR-Aufträge haben ein Gesamtvolumen von 57 Millionen Euro.

Fehler im Diamantkristall

Perfekte Diamanten bestehen aus einem makellosen Gitter von miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen. Eine Stickstoff-Fehlstelle ist eine Störung in diesem Kristallgitter. Sie kann auch natürlich vorkommen. Diamanten mit besonders vielen Stickstoffatomen sind gelblich gefärbt. Für Quantencomputer werden ausschließlich synthetische Diamanten verwendet. Künstlich in das Kristallgitter eingebrachte Stickstoffatome ersetzen Kohlenstoffatome auf deren Gitterplätzen. Wenn sich diese Stickstoff-Fremdatome mit einem benachbarten leeren Gitterplatz verbinden, entstehen NV-Zentren.

„Solche Qubits haben den Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur funktionieren. Dies erweitert den potenziellen Einsatzbereich dieser Quantencomputer deutlich. Andere Systeme, etwa mit supraleitenden Schaltkreisen, können nur bei sehr tiefen Temperaturen betrieben werden“, erklärt Dr. Robert Axmann, Leiter der DLR Quantencomputing-Initiative (QCI). NV-Quantenprozessoren gelten als leicht und mobil. Ihr Einsatz ist in Zukunft auch in Flugzeugen oder Satelliten denkbar.

Eine der aktuell größten Herausforderungen bei dieser Technologie liegt darin, mehrere geeignete NV-Zentren in geringem Abstand zu platzieren. Erst dann können sie effektiv miteinander verschränkt werden, was die Voraussetzung für einen Quantencomputer ist.

SaxonQ und XeedQ arbeiten mit unterschiedlichen Ansätzen

SaxonQ erzeugt die NV-Zentren mit einer eigens entwickelten Technik knapp unter der Oberfläche des Diamantkristalls. Diese Technologie verspricht eine hohe Präzision bei der gezielten Anordnung von NV-Zentren. XeedQ dagegen ordnet die NV-Zentren in einer dreidimensionalen Struktur im Diamantkristall an, so dass sich eine gegenseitige Wechselwirkung ergibt. Zusammen mit einem speziellen Ausleseverfahren wird so der Bau eines skalierbaren Quantencomputers möglich.

In einer ersten Phase entsteht zeitnah in beiden Projekten jeweils ein Demonstrator-System mit mindestens vier Qubits. In späteren Phasen erfolgt die Entwicklung zu größeren Systemen: Nach vier Jahren soll der Bau von Quantencomputern mit mehr als 32 Qubits abgeschlossen sein, die skalierbar und fehlerkorrigierbar sind. Alle Systeme werden in den Laboren des DLR-Innovationszentrums Ulm integriert und betrieben.

Synergien mit weiteren Projekten in Ulm und Hamburg

In Ulm und im DLR-Innovationszentrum Hamburg bestehen enge Synergien mit weiteren Projekten in der DLR-Quantencomputing-Initiative. Eine Ausschreibung zum Thema Spin Enabling Technologien fokussiert auf Teilsysteme und Hilfstechnologien für spinbasiertes Quantencomputing. Die NV-Quantencomputer-Hersteller profitieren von der reproduzierbaren Herstellung und Charakterisierung der Qubit-Hardware, an der gemeinsam gearbeitet wird.

„Das DLR baut ein Quantenökosystem auf, in dem sich Forschung, Industrie und Start-ups gegenseitig ergänzen. Dabei verfolgt die DLR Quantencomputing-Initiative unterschiedliche technologische Ansätze, um diese zu evaluieren und für vielfältige Anwendungen einzusetzen. So lassen sich die Vor- und Nachteile verschiedener Architekturen für Quantencomputer erforschen“, erläutert Dr. Karla Loida, Projektleiterin in der DLR Quantencomputing-Initiative. Kürzlich hat das DLR bereits Aufträge für die Entwicklung von Ionenfallen-Systemen und photonischen Systemen vergeben.

Die DLR Quantencomputing-Initiative

Im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative werden innerhalb der nächsten vier Jahre prototypische Quantencomputer unterschiedlicher Architekturen gebaut. Außerdem werden die damit verbundenen Technologien und Anwendungen entwickelt. Das DLR bindet Unternehmen, Start-ups und andere Forschungseinrichtungen ein, um gemeinsam die Arbeiten voranzutreiben.

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Das DLR wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit Ressourcen ausgestattet und vergibt in großem Umfang Aufträge an Unternehmen. Das DLR bringt die eigenen Fähigkeiten und Fragestellungen in Forschung und Entwicklung ein und fokussiert auf den Transfer in die Wirtschaft.

Laserlicht zum Auslesen der Quanteninformationen.
Laserlicht zum Auslesen der Quanteninformationen.
(Bild: SaxonQ / Swen Reichhold)

Schnelle Berechnungen mit Quantenbits

Quantencomputer sind eine wichtige Technologie für die Zukunft: Sie können Berechnungen und Simulationen auf spezifischen Einsatzgebieten wesentlich schneller als klassische Supercomputer durchführen. Ihr Einsatz ist zum Beispiel im Verkehrs- und Energiebereich, aber ebenso bei der Grundlagenforschung oder dem Betrieb von Satelliten möglich. Quantencomputer nutzen quantenmechanische Effekte wie Verschränkung und Überlagerung aus: Ihre Quantenbits (Qubits) können die Zustände 0 und 1 gleichzeitig einnehmen – und nicht nur nacheinander, wie die klassischen Computer. Das wiederum macht Quantencomputer so leistungsfähig. Im DLR arbeiten über ein Dutzend Institute an der Entwicklung und Erforschung von Quantentechnologien. Auch im DLR besteht ein großer Bedarf, in Zukunft an und mit Quantencomputern zu forschen.

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