Quantenspintronik im Diamanten Quantum Brilliance verstärkt Aktivitäten in Deutschland

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Rosenberger-OSI GmbH & Co. OHG

Das australisch-deutsche Start-up Quantum Brilliance hat einen Weg gefunden, die Vorteile, die „Quantencomputing im Diamanten“ theoretisch bietet, auch in der Praxis erfolgreich umzusetzen. Jetzt hat man einen IBM-Quantencomputer-Veteranen als EMEA-Chef gewonnen.

Bislang kommen Quantencomputer meist als quantenphysikalische Gefrierpackung daher. Die Quantenregister funktionieren nur tief- bis tiefstgekühlt. Dass man auch bei Raumtemperatur mit den Quanten-Bits (Qubits) rechnen kann, beweist neuerdings das australisch-deutsche Start-up Quantum Brilliance. Die Basis des Quantencomputers sind dabei eigens für diesen Zweck hergestellte künstliche Diamanten, deren Kristallgitter absolut perfekt ist, also keinerlei Defekte aufweist.

Dieses speziell präparierte Diamantsubstrat wird von Quantum Brilliance gezielt mit einem Stickstoffatom dotiert, so dass so genannte Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (engl. Nitrogen Vacancy, NV) entstehen, die als Träger der Qubits dienen (siehe: Ergänzendes zum Thema). Die Kohärenz der dabei erzeugten Quantenzustände liegt dabei mit mehr als einer Millisekunde ( > 1 ms) sehr deutlich über der von anderen Qubit-Trägern wie beispielsweise supraleitenden Ringstrukturen.

„Quantenspintronik“ im Nanometer-Format

Angesichts dieser Randbedingungen ist man versucht zu fragen, warum nicht alle in der Welt der Quantentechnologie Quantencomputer auf NV-Diamanten bauen. Mark Mattingley-Scott, „Quantencomputing-Veteran" bei IBM und neuerdings General Manager EMEA von Quantum Brilliance, gibt die Antwort: „Um solche Qubit-tauglichen Diamanten-Fehlstellen herzustellen, benötigt man eine sehr präzise 47699443 der Stickstoff-Atome, außerdem kann man auch nicht jede Implantation als „NV-Vacancy“ nutzen.“

Die Herstellung geeigneter Diamantsubstrate sowie der präzise Dotierungsprozess sind denn auch der eigentliche Aktivposten des australisch-deutschen Start-ups. Man hat die entsprechenden Prozesse bei Lithografie und Oberflächenchemie so im Griff, dass man eine ganze Reihe von NV-Zentren nanometer-genau nebeneinander auf einem Chip platzieren kann.

Dadurch wird die Wechselwirkung von Quantenzuständen ermöglicht, die Voraussetzung ist für massiv-parallele Rechenoperationen. „Die verwendete Technik orientiert sich an Fabrikationsprozessen für einzelne Atomlagen auf Silizium-Chips, wie sie in Australien entwickelt worden ist, sagt Mark Mattingley-Scott. Darüber hinaus seien auf dem Quanten-Chip von Quantum Brilliance die elektrischen, optischen und magnetischen Steuerungssysteme vollständig integriert und miniaturisiert.

Quanten-Edge-Computing

Mittlerweile gibt es einen 19-Zoll-Einschub („Pizzaschachtel“) für den Einbau in Rechenzentren, damit diese für geeignete Aufgaben Quantencomputing als Beschleuniger einsetzen können. Dafür gebe es auch schon offene APIs. Der Erstanwender des Einschubs ist das Pawsey Supercomputing Centre an der australischen National-Universität in der Bundeshauptstadt Canberra.

„Hardwareseitig sind bei diesen Einschüben die meisten Herausforderungen schon exzellent gelöst, ich denke hier vor allem an die eben schon erwähnten Chiptechniken“, sagt Mattingley-Scott, im Softwarebereich warteten aber noch viele und große Aufgaben. Die nutzerfreundliche Programmierung des Quantenbeschleunigers bilde auf jeden Fall den Löwenanteil einer entsprechenden Investition.

Neben dem Kauf eigener Beschleuniger-Module wird es nach Angaben des EMEA-Chefs von Quantum Brilliance auch Cloud-Angebote geben, die auf dem „Diamant-Quantenbeschleuniger“ aufsetzen. Als Anwendungsbereiche der Quanteneinschübe sieht Mark Mattingley-Scott das komplette Spektrum, das üblicherweise beim Quantencomputing im Blick ist: von Chemie und Pharmazie über die Materialwissenschaften und Optimierungsstrategien bis hin zu Algorithmen des Maschinellen Lernens.

Für besonders geeignet hält der in Stuttgart situierte EMEA-Chef die Quantenlösung von Quantum Brilliance im Bereich Edge Computing, vor allem auch in rauen und relativ unzugänglichen („internet-fernen“) Industrieumgebungen wie in Stahl- und Zementwerken oder im Bergbau.

Wichtige Weiterentwicklungen in Deutschland

Gefragt nach der Arbeitsteilung zwischen den Quantum-Brilliance-Standorten in Australien und in Deutschland meint Mark Mattingley-Scott, dass es nicht zuletzt eine seiner Aufgaben sei, die großen Forschungskapazitäten in Deutschland bezüglich Quantentechnologie für die Weiterentwicklung der Lösung von Quantum Brilliance fruchtbar zu machen. Schließlich hätten nicht wenige der Grundlagenforschungen in Sachen Diamant-Quantencomputer in Deutschland stattgefunden (siehe auch: Ergänzendes zum Thema). Einige der australischen Protagonisten haben übrigens in Deutschland studiert.

Für die Zukunft plane man jedenfalls, wichtige Teile der Diamantenproduktion in Deutschland anzusiedeln, ebenso große Teile der Steuerungselektronik sowie lokale OEM-Anpassungen. In Australien sei dagegen weiterhin die Diamantenforschung lokalisiert sowie ein Teil der Steuerelektronik. Insgesamt werde es aber eine „Gewichtsverlagerung von der südlichen auf die nördliche Hemisphäre geben“.

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