(openPR) Das Projektkonsortium von SPINNING (»Diamond spin-photon-based quantum computer«) demonstrierte zum Abschluss des dreijährigen Verbundprojekts einen verteilt skalierbaren, universellen Quantencomputer auf Basis von Spin-Qubits in Diamant, der wesentliche Vorteile im Vergleich zu anderen Quantencomputing-Technologien bietet. 28 nationale Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft arbeiteten unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF an einem Festkörper-Quantencomputer, der sich durch ein neuartiges, vernetztes und hybrides Design auszeichnet.
Die Projektpartner sind führende Unternehmen und Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der vorwettbewerblichen Hardware-, Firmware- und Software-Entwicklung für Quantencomputer und -Bauelemente. Sie präsentierten auf dem Abschlusstreffen am 23. Juni an der TU München die Projektergebnisse. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (ehemals Bundesministerium für Bildung und Forschung) förderte SPINNING mit 16,1 Mio. €.
Im Projekt SPINNING wurden Quantenregister durch photonische Kopplung mithilfe optischer Mikroresonatoren realisiert, die in Benchmark-Analysen alle gängigen Systeme und Erwartungen übertreffen konnten. Die Forschenden haben Qubit-Register durch Farbzentren in Diamant und die sie umgebenden Kernspins hergestellt, die mit Mikroresonatoren photonisch über mehrere Register und Abstände von mehr als 20 Metern miteinander gekoppelt werden. »Diese innovative Technik ermöglicht es, Distanzen von mehreren Metern zwischen den Quantenregistern zu überwinden. In diesem Konzept eines spin-photon-basierten Quantencomputers steckt ein großes Transferpotenzial, da es nicht nur über eine hohe Skalierbarkeit verfügt, sondern auch über eine hohe Konnektivität, die eine flexible Verbindung mit konventionellen Computern ermöglicht«, erläutert Prof. Dr. Rüdiger Quay, Koordinator des SPINNING-Verbunds und Institutsleiter am Fraunhofer IAF.
Dem Projektteam von SPINNING gelang es erstmals, die Verschränkung von zwei Registern mit jeweils sechs Qubits über eine Distanz von 20 Metern erfolgreich zu demonstrieren und dabei eine hohe mittlere Güte von über 0,9 (im Sinne der Ähnlichkeit der verschränkten Zustände) zu erreichen. Darüber hinaus konnten signifikante Verbesserungen in der zentralen Hardware, Software sowie der Peripherie für den spin-photon-basierten Quantencomputer erzielt werden.
Das Basismaterial und dessen Bearbeitung sowie die Realisierung von Farbzentren in Diamant zur Erzeugung von Qubits konnten ebenso verbessert werden wie die Technologie der photonischen Resonatoren. Dabei wurden erfolgreich Germanium- und Zinn-Vakanz-Defekte, die selbst als Qubit dienen können, in begleitenden Komponenten wie Detektoren und Quellen demonstriert und Diamantmaterialien mit einem kontrollierten Kernspinbad hergestellt. Außerdem wurden hohe Q-Faktoren für Mikroresonatoren aus Diamant erreicht, in denen Farbzentren gezielt platziert wurden.
Ferner ist es dem Konsortium gelungen, die für den Betrieb des Quantencomputer benötigte Elektronik zu entwickeln und erste Anwendungen des Quantencomputers für künstliche Intelligenz aufzuzeigen.
Der exemplarische Vergleich der Ergebnisse aus SPINNING mit den Kennzahlen von Quantencomputern auf Basis supraleitender Josephson-Kontakte (superconducting Josephson junctions, SJJs), in deren Entwicklung bislang weltweit ein Vielfaches der Ressourcen investiert wurde, zeigt das enorme Potenzial der Technologie: Der bislang zwölf Qubits umfassende spin-photon-basierte Quantencomputer, der in SPINNING entwickelt wurde, erreicht im Ein-Qubit-Gatter mit einer Fehlerquote von unter 0,5 % das gleiche Ergebnis wie die prominenten SJJ-Modelle Eagle (127 Qubits) und Heron (154 Qubits), die Teil der kommerziell nutzbaren IBM-Quantencomputing-Cloud sind.
Bei der Kohärenzzeit übertrifft der spin-photon-basierte Quantencomputer mit einer Länge von über 10 Millisekunden die SJJ-Modelle (>50 μs) deutlich, obwohl die Distanz bei der Verschränkung mit 20 Metern gegenüber wenigen Millimetern um ein Vielfaches größer ausfällt. Dies ermöglicht längere Rechenoperationen und somit das Lösen komplexerer Problemstellungen.
SPINNING wurde durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt BMFTR (ehemals Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF) mit der Fördermaßnahme »Quantencomputer-Demonstrationsaufbauten« im Rahmenprogramm der Bundesregierung »Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt« gefördert. Das Fraunhofer IAF leitet das SPINNING-Konsortium aus sechs Universitäten, zwei gemeinnützigen Forschungseinrichtungen, fünf industriellen Unternehmen (KMU und Spin-offs) sowie 14 assoziierten Partnern.
Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF (Koordinator) Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB Forschungszentrum Jülich GmbH Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Universität Konstanz Universität Heidelberg Technische Universität München Universität Ulm Diamond Materials GmbH, Freiburg im Breisgau NVision Imaging Technologies GmbH, Ulm Qinu GmbH, Karlsruhe Universität Stuttgart Quantum Brilliance GmbH, Stuttgart Swabian Instruments GmbH, Stuttgart 14 assoziierte Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft
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