Quantencomputing Fujitsu entwickelt Prototyp eines Diamant-Spin-Quantencomputers

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Fujitsu hat nach eigenen Angaben den weltweit ersten funktionsfähigen Prototyp eines Diamant-Spin-Quantencomputers entwickelt. Das System integriert Zinn-Fehlstellenzentren in photonische integrierte Schaltungen.

Der Prototyp arbeitet bei -271,6 Grad Celsius. Damit liegt seine Betriebstemperatur über der typischen Betriebstemperatur supraleitender Quantencomputer von -273,13 Grad Celsius. In einer Testumgebung zeigte Fujitsu zudem, dass Nutzende den Prototyp mithilfe der Plattform Fujitsu Hybrid Quantum Computing ohne zusätzliche Spezialkenntnisse einsetzen können.
Der Prototyp basiert auf Ergebnissen einer gemeinsamen Forschungsarbeit von Fujitsu, der Delft University of Technology und QuTech. Die Zusammenarbeit begann im Jahr 2020. QuTech ist ein weltweit führendes Forschungsinstitut für Quantentechnologien und Teil der TU Delft.

Die Entwicklung ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einer modularen Architektur. Aufgrund seiner hohen Fidelity und effizienten optischen Konnektivität zählt der Diamant-Spin-Ansatz zu den vielversprechenden Möglichkeiten, Quantencomputer zu skalieren.

Was ist der Diamant-Spin-Ansatz eigentlich?

Der Diamant-Spin-Ansatz nutzt Gitterdefekte in Diamantkristallen, sogenannte Farbzentren, als Qubits. Diamant verfügt über intrinsische Eigenschaften, die Quantenzustände stabil halten. Dadurch erreicht der Ansatz eine hohe Fidelity. Im Vergleich zu supraleitenden und anderen Ansätzen könnte der Diamant-Spin-Ansatz zudem ermöglichen, logische Qubits zuverlässig aus einer geringeren Anzahl physikalischer Qubits zu bilden. Licht kann mehrere Quantenmodule flexibel miteinander verbinden. So lassen sich Systeme mit modularer Architektur aufbauen und effizient skalieren. 
Typischerweise verwendet der Diamant-Spin-Ansatz Stickstoff-Fehlstellenzentren (Nitrogen-Vacancy, NV-Zentren). Diese entstehen durch Stickstoffverunreinigungen in Diamantkristallen.
Für die Entwicklung des hier vorgestelletn Prototyps setzte Fujitsu jedoch Zinn-Fehlstellenzentren (SnV-Zentren) ein. Ihre Struktur ist symmetrisch. Zudem reagieren sie weniger empfindlich auf externe Störeinflüsse als NV-Zentren. Damit seien sie eine vielversprechende Option für stabile Farbzentren mit hoher Helligkeit.

Drei Schlüsseltechnologien für den Diamant-Spin-Quantencomputer

Der Prototyp umfasst drei von Fujitsu entwickelte Technologien:

• Heterogenes Bonden und Dünnen von Materialien für skalierbare Quantencomputer-Chips
  Für die Herstellung von Quantencomputer-Chips auf Basis von SnV-Zentren entwickelte Fujitsu eine Technologie zum heterogenen Bonden. Sie verbindet hochwertige, mit Zinnionen implantierte Diamantsubstrate mit Aluminiumoxid- und Siliziumdioxid-Substraten.Ergänzend entwickelte Fujitsu eine Dünnungstechnologie, mit der sich die Dicke der Diamantsubstrate von mehreren hundert Mikrometern auf mehrere hundert Nanometer reduzieren lässt. Damit eignen sich die Substrate für den Einsatz in skalierbaren Quantencomputer-Chips.
• Fertigungstechnologie für photonische integrierte Schaltungen mit SnV-Zentren
  Fujitsu entwickelte eine Fertigungstechnologie für photonische integrierte Schaltungen. Dabei werden Diamantkristalle im Nanometermaßstab mit SnV-Zentren in optische Wellenleiter aus Aluminiumoxid integriert.Das Aluminiumoxid ist im sichtbaren Spektralbereich transparent. Dadurch lassen sich einzelne Photonen extrahieren, die die SnV-Zentren beim Auslesen der Qubits emittieren. Für die Bearbeitung der Diamanten nutzte Fujitsu Ergebnisse aus der gemeinsamen Forschung mit der University of Tokyo.
• Umwandlung von Quantenschaltkreisen für den Diamant-Spin-Ansatz
  Der Diamant-Spin-Ansatz steuert Qubits durch die Kombination von Licht, Mikrowellen und Hochfrequenzwellen. Fujitsu entwickelte deshalb einen Mechanismus, der Quantenschaltkreise auf Grundlage von Quantengattern in Steuersequenzen für diese physikalischen Operationen umwandelt. Dadurch ermöglicht die Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform die Steuerung des Systems.

Roadmap für multimodulares und hybrides Quantencomputing

Fujitsu plant, bis 2027 einen funktionsfähigen Prototyp eines multimodularen Diamant-Spin-Quantencomputers zu entwickeln. Darüber hinaus will das Unternehmen Technologien entwickeln, die den Diamant-Spin-Ansatz mit dem supraleitenden Ansatz verbinden.Damit treibt Fujitsu die Entwicklung großskaliger Quantencomputer weiter voran. Die Initiative ist Teil der Quantencomputing-Roadmap von Fujitsu. Darin formuliert das Unternehmen das Ziel, bis 2030 praxistaugliches Quantencomputing zu realisieren.

Forschungsförderung
Ein Teil dieser Arbeit wird durch die „Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan“ (ARIM) des Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) unterstützt. Die Antragsnummer lautet JPMXP1225NM0096.
Das Forschungsprojekt ist eine Zusammenarbeit zwischen QuTech und Fujitsu. Es wird kofinanziert von Holland High Tech im Rahmen einer Public-Private-Partnership-Förderung für Forschung und Entwicklung im Topsektor High Tech Systems and Materials sowie durch eine Public-Private-Partnership-Förderung für Forschung und Innovation des Wirtschaftsministeriums.