27 Jan Skalierbare Quantenmikroprozessoren aus Diamant
In einem Verbundprojekt sollen die besonderen Materialeigenschaften von Diamant genutzt und bis 2025 Technologien zur Herstellung und Steuerung diamantbasierter Quantenmikroprozessoren entwickelt werden.
Mit QPUs (Quantum Processing Units) sollen im Verbundprojekt Deutsche Brilliance (DE-Brill) Quantenvorteile für Anwendungen wie beispielsweise Edge Computing eingesetzt werden – eine technologische Grundvoraussetzung für die komplexe Infrastruktur des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT), das perspektivisch autonome Mobilität und digitalisierte Industrieproduktion ermöglichen kann.
Das Projektteam 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. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Vorhaben drei Jahre lang über die Fördermaßnahme ‚Enabling Start-up – Unternehmensgründungen in den Quantentechnologien und der Photonik‘ mit 15,6 Millionen Euro. Insgesamt liegt das Projektvolumen bei 19,9 Millionen Euro.
Qubits im Diamanten
Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von Quantencomputern ist es, Quantenbits (Qubits) technisch zu realisieren. 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 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
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.
Parallel zum Teilprojekt des Fraunhofer IAF arbeitet ein Team unter der Führung von Professor 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.
Gemeinsame Standortnutzung
Um von der Anlageninfrastruktur am Standort Freiburg bestmöglich zu profitieren 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.
Quelle: www.iaf.fraunhofer.de
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