Spinning-Fitness für Quantenrechner Quantum Brilliance und Fraunhofer IAF: Spin-Quantencomputer aus Deutschland

Quantum Brilliance baut Spin-Quantencomputer, und das Fraunhofer IAF (Institut für Angewandte Festkörperphysik) tut dasselbe. Der Vorteil dieser Technik: Sie brauchen keine Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.

Etwa ein halbes Dutzend Methoden ermöglicht es, die zum Quantencomputing nötigen Qubits, also verschränkbare Elementarbestandteile von Quantencomputern, herzustellen. Ob eine davon einen ähnlichen Siegeszug erleben wird wie der Transistor in der Digitaltechnik, ist heute völlig offen.

Viele Fachleute meinen jedoch, dass man zumindest mehrere Basistechnologien für Quantencomputer brauchen wird, um die Bedürfnisse unterschiedlicher Anwendungsfelder optimal zu erfüllen. Quantum Brilliance hat den Spin als Basistechnologie für seine Quantencomputer gewählt.

Die australisch-deutsche Firma wurde 2019 gegründet, der deutsche Ableger folgte 2021. Derzeit hat die Firma 45 Mitarbeiter. Vier 2-Qbit-Systeme sind weltweit installiert – Kisten, die etwa so groß sind wie ein größeres Rack-System.

Quantum Brilliance baut gerade fünf Qubits

Matt Mattingley-Scott, Europachef von Quantum Brilliance, erläutert, dass Quantum Brlliance inzwischen an einem System mit fünf Qubits arbeitet. Es ist wesentlich kompakter als sein Vorläufer. „Wir haben alle Teilschritte, die zur Integration des Systems gehören, bereits für sich demonstriert, jetzt geht es um die Integration“, sagt er.

Die nächsten Schritte stehen bereits fest: Alsbald soll ein Gerät mit 25 Qubits folgen. Es wird 2027 fertig und geht an die Cyberagentur Halle. Weitere Integrationsschritte folgen. Da die Qubits von Quantum Brilliance bei Raumtemperatur arbeiten, kann das gesamte System stark miniaturisiert werden.

Das Wichtigste steckt in einem 16-Quadratmillimeter-Chip

Einschließlich der optischen Komponenten sowie der Mikro- und Radiowellenquellen lässt es sich auf die Größe einer handelsüblichen Grafikkarte reduzieren. Herzstück ist der „Smart Quantum Diamond Chip“, der auf einer Fläche von nur 4×4 Quadratmillimeter neben den Qubits auch die notwendige Elektronik und Optik zur Ansteuerung und Auslese integriert.

Quantum Brilliance arbeitet mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF zusammen. Gemeinsam forschen sie an der Diamantsynthese für Quantenbauelemente. Auch beim Fraunhofer IAF wird zu Spin-Quantencomputern geforscht.

Wie funktioniert Spin-Quantencomputing?

Spin ist die quantenphysische Eigenschaft Eigendrehimpuls von Teilchen. Spin lässt sich nicht direkt messen und hängt eng mit dem magnetischen Moment dieser Teilchen zusammen. Dieses magnetische Moment kann mit äußeren elektromagnetischen Feldern wechselwirken und lässt sich daher auch steuern.

Quantum Brilliance setzt auf Quantenbeschleuniger für den Betrieb bei Raumtemperatur. Sie sollen im Format später zu GPUs und den dafür verwendeten Racks passen.

Basis sind Stickstoff-Vakanzen

Dafür nutzt der Hersteller so genannte Stickstoff-Vakanzen (NV) in einem Diamantgitter. Sie entstehen, wenn in diesem Gitter einzelne Atome durch Stickstoffatome ersetzt werden. Das Verfahren von Quantum Brilliance ermöglicht es, diese NVs an genau definierten Stellen zu produzieren.

Ein Prozessor von Quantum Brilliance besteht schließlich aus einem Feld von NV-Zentren. Die für einen Quantenalgorithmus notwendigen Operationen werden durch Manipulationen der Spinsysteme realisiert. Der Elektronen Spin eines NV-Zentrums fühlt die magnetische Momente der benachbarten NV-Zentren.

Elektronische Fehlstellen als Busse

Die elektronischen Spins der Fehlstellen dienen als Busse, die das Auslesen und die Initialisierung der Qubits durch Photo-electric Readout ermöglichen. Mittels Mikrowellen lassen sich die elektronischen Spins verändern und auch verschränken. Außerdem lassen sich die Kernspins mittels Radiowellen ansteuern.

Mit diesen Bausteinen kann man einen universellen Quantencomputer entwickeln. Ein solcher Quantencomputer kann im Prinzip annähernd jeden beliebigen Quantenalgorithmus abbilden.

Diamanten mit planer Oberfläche

Bei der Produktion werden mit speziellen Verfahren Diamanten mit planarer Oberfläche hergestellt. Auf die Oberfläche bringt man eine Wasserstoffschicht auf. In diese werden mit Hilfe der Spitze eines Rastertunnelmikroskops in regelmäßigen Abständen Löcher gestanzt, so dass die Kohlenstoffschicht offen liegt. Durch diese Löcher, die in einem Chip ein regelmäßiges Raster bilden, wird ein Molekül auf den Diamanten aufgebracht, das Stickstoff enthält.

Da Stickstoff höchst affin zu Kohlenstoff ist, integriert sich der Stickstoff in das Kohlenstoffgitter, wobei eine seiner Bindungsstellen offen bleibt. Anschließend lässt man mit dem CVD (Chemical Vapor Deposition)-Verfahren, das man aus der Halbleiterfertigung kennt, auf das Ganze eine weitere Diamantschicht aufwachsen.

Fraunhofer IAF verwendet anderes Verfahren zur Produktion der Qubits

Das Fraunhofer IAF verwendet beim Herstellen der Qubits einen anderen Ansatz. Hier werden zunächst mit dem aus der Halbleiterfertigung bekannten Trockenätzverfahren in einem Reinraum an den gewünschten Stellen Löcher in ein entsprechendes Diamanten-Substrat geätzt.

Im nächsten Fertigungsschritt wird das Substrat mit Kohlenstoff und Stickstoff überwachsen. Dabei wird der Stickstoffgehalt präzise eingestellt, um die Konzentration an entstehenden Stickstoff-Fehlstellen zu kontrollieren.

Großes Potential

Rebekka Eberle, die am Fraunhofer IAF eine Arbeitsgruppe zur Entwicklung von Quantensystemen leitet, sieht in diesem Verfahren großes Potenzial: „Wir müssen nicht jedes Loch einzeln mit Stickstoff dotieren, sondern können durch das Aufdampfen viele Stickstoff-Fehlstellen, die wir als Qubit nutzen können, gleichzeitig in einem Arbeitsgang erzeugen.“

Ob und welches Verfahren sich durchsetzt, ist noch völlig unklar. Es gibt im Übrigen auch weitere Materialien neben Stickstoff, die sich für Spin-Computer eigenen würden.

Projekt Spinning

Es bleibt also sehr spannend in diesem Technologiebereich. Eberle ist sich allerdings sicher: „Es werden sich mehrere Hardware-Plattformen parallel etablieren, beispielsweise eine, mit der sich mobile, kleinere Quantensysteme bauen lassen, und eine, die sich für Hochleistungs-Quantencomputer eignet.“

Die Forschungen und Entwicklungen von Quantum Brilliance und Fraunhofer IAF finden im Rahmen des Projekts „Spinnung“ statt. Daran sind 14 Partner und 14 weitere assoziierte Partner beteiligt.

Spinning-Partner aus Wissenschaft, Forschung und Industrie

Zu den Partnern gehören neben dem Fraunhofer IAF und Quantum Briliance Fraunhofer IISB (Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie), FZ Jülich, KIT (Karlsruher Institut für Technologie), die Universitäten Heidelberg, Konstanz, Stuttgart, Ulm und die TU München. Dazu kommen einige Hersteller.

Diamond Materials arbeitet etwa im Rahmen des Projekts an polykristallinen Diamant-Wafern mit monolithisch eingewachsenen Einkristallen, damit wie in der IT üblich bei der Produktion mit Wafern gearbeitet werden kann. Nvision entwickelt „Nvision“ ein Quanten-Hardware-Testzentrum.

Quanten-Zubehör aus Deutschland

Qinu baut Tisch-Kyrostate. Swabian Instruments arbeitet an einem hochintegrierten, skalierbaren Mess- und Kontrollsystem für QPUs, die auf Festkörperdefekten basieren. Qruise entwickelt Software für die möglichst schnelle Charakterisierung, Steuerung und Rekalibrierung einer Demonstrationsplatform. Es ist eines der Ziele von Spinning, eine solche Plattform zu bauen.

Mit dieser Forschungsanstrengung gibt es die Chance auf eine maßgeblich hierzulande entwickelte Quantencomputer-Basistechnologie. Ihr Vorteil wäre, Quantencomputing vom Zwang zur Tiefsttemperatur zu befreien.

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