QC-4-BW – Diamant-basiertes, spintronisches Quantenregister für skalierbaren Quantenprozessor

Schmatische Darstellung NV-Magnetfelder Fraunhofer IAF
© Fraunhofer IAF

Im Rahmen des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg soll ein miniaturisierter und skalierbarer Quantenprozessor entwickelt und im Vergleich zu den supraleitenden Quantenprozessoren des IBM Quantencomputers „Q System One“ mit einem Quantenvolumen von 30 evaluiert werden. Der angestrebte Quantenprozessor basiert auf optisch gekoppelten Quantenregistern, wobei jedes Quantenregister durch 10 Kernspin-basierte Qubits und einen Elektronenspin gebildet wird.

Ziel in der ersten Phase der Forschungsaktivitäten ist die Entwicklung eines Diamant-basierten, spintronischen Quantenregisters für einen skalierbaren Quantenprozessor, um quantenchemische Prozesse zu evaluieren. Dafür wird ein 10-Qubit-Quantenregister entwickelt, das als einziges bisher realisiertes Register auch über einen integrierten Quantenspeicher verfügt.

Das Schlüsselelement des Quantenregisters ist ein optisch adressierbares Farbzentrum in Diamant. Dieses Farbzentrum besitzt einen Elektronenspin, der als Ein- und Auslese-Qubit genutzt wird und der an etwa 10 Kernspins von umgebenden 13C-Atomen stark gekoppelt ist. Da die Stärke der Kopplung zwischen dem Elektronenspin und den 10 Kernspins ihre Dekohärenzrate weit übertrifft, können Zwei-Qubit-Gatter zwischen Elektronenspin und Kernspin oder zwischen Kernspins (indirekt gekoppelt über Elektronenspins) realisiert werden. Darüber hinaus werden die einzelnen Kernspins als Ein-Qubit-Gatter genutzt. Neben den 10 stark gekoppelten Kernspins enthält das Quantenregister weitere 20-40 Kernspins, die aufgrund ihrer größeren Entfernung schwächer an den Elektronenspin des Farbzentrums gekoppelt sind und zum Aufbau eines Quantenspeichers genutzt werden.

Die Leistungsfähigkeit des Quantenregisters, der Qubit-Topologie sowie der Ein- und Zwei-Qubit Quantengatter wird mit den entsprechenden Komponenten des IBM Quantencomputers „Q System One“ verglichen.

PROJEKTTITEL

QC-4-BW – Entwicklung und Benchmarking eines Diamant-basierten, spintronischen Quantenregisters für einen aufskalierbaren Quantenprozessor

 

LAUFZEIT

2021 – 2023

FÖRDERMITTELGEBER

Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg

KOORDINATOR

Fraunhofer IAF

ZIELE

  • Entwicklung einer neuartigen Generation von Spin-basierten Quantenregistern mit einem integrierten Speicher für quantenmechanische Zustände
  • Vergleich der Leistungsdaten von Spin-basierten mit supraleitenden Qubit-Technologien für den Einsatz in anwendungsrelevanten Quantencomputern
Logo des Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg

Gefördert vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg

Weitere Informationen

 

Quantencomputing am Fraunhofer IAF

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Kompetenzzentrum Quantencomputing

Das Kompetenzzentrum Quantencomputing in Baden-Württemberg vernetzt Akteure im Land.