Sinnvolle Spinnereien Quantencomputer auf Basis von Spin-Qubits arbeiten länger und sicherer

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

COSCOM Computer GmbH

Shining 3D Tech Co., Ltd

Das Projekt Spinning beweist, dass hybrid integrierbare, skalierbare und nahe Raumtemperatur funktionierende Festkörper-Quantenbauelemente bessere Quantencomputer schaffen können.

Das Projektkonsortium des BMFTR-Projekts Spinning (Diamond spin photon based quantum computer) demonstrierte nach drei Jahren Forschung einen verteilt skalierbaren, universellen Quantencomputer auf Basis von Spin-Qubits in Diamant. Dieser biete wesentliche Vorteile im Vergleich zu anderen Quantencomputing-Ansätzen. Denn die dabei entwickelten Spin-Qubits in Diamant zeichnen sich durch längere Operationszeiten und kleinere Fehlerraten aus, als vergleichbare, kommerziell verfügbare, supraleitende Systeme. Die sogenannte photonische Kopplung über Entfernungen von über 20 Metern verspreche, eine Grundlage für leistungsstärkere verteilte Quantencomputer zu sein. Dabei wurden Quantenregister durch die photonische Kopplung mithilfe optischer Mikroresonatoren geschaffen, die in Benchmark-Analysen alle gängigen Systeme und Erwartungen übertreffen, wie die Projektbeteiligten vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) aus Freiburg im Breisgau betonen.

Die erreichten Verbesserungen beim Quantencomputing

Die Forscher haben dazu die Qubit-Register durch Farbzentren in Diamant und die sie umgebenden Kernspins hergestellt, die mit Mikroresonatoren photonisch über mehrere Register und eben in Abständen von über 20 Metern miteinander gekoppelt werden. Diese innovative Herangehensweise ermögliche es also, Distanzen von mehreren Metern zwischen den Quantenregistern zu überwinden. Im Konzept des „Spin Photon“-basierten Quantencomputers stecke ein großes Transferpotenzial, weil es nicht nur über eine hohe Skalierbarkeit verfüge, sondern auch über eine hohe Konnektivität, die eine flexible Verbindung mit konventionellen Computern ermögliche. Dem Projektteam gelang es so erstmals, die Verschränkung von zwei Registern mit jeweils sechs Qubits über die genannte Distanz erfolgreich zu beweisen und dabei eine hohe mittlere Güte von über 0,9 (im Sinne der Ähnlichkeit der verschränkten Zustände) zu erreichen. Auch gab es signifikante Verbesserungen bei der zentralen Hardware, der Software sowie bei der Peripherie für den neuartigen Quantencomputer. Dabei wurden erfolgreich Germanium- und Zinn-Vakanz-Defekte, die auch als Qubit dienen können, in begleitenden Komponenten (Detektoren und Quellen) nachgewiesen und Diamantmaterialien mit einem kontrollierten Kernspinbad hergestellt. Außerdem wurden hohe Q-Faktoren für Mikroresonatoren aus Diamant geschaffen, in denen Farbzentren gezielt platziert werden konnten.

Wesentlich längere Koheränzzeit trotz größerer Distanz

Der bis jetzt zwölf Qubits umfassende „Spin Photon“-basierte Quantencomputer erreicht im 1-Qubit-Gatter mit einer Fehlerquote von unter 0,5 Prozent 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 übertreffe der neue Quantencomputer mit einer Länge von über 10 Millisekunden die SJJ-Modelle (über 50 Mikrosekunden) deutlich, obwohl die Distanz bei der Verschränkung mit 20 Metern im Vergleich zu wenigen Millimetern viel größer sei. So erreicht man etwa längere Rechenoperationen, um auch relativ komplexere Problemstellungen zu meistern.

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