12. Dezember 2022
Aufträge für 57 Millionen Euro im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative (QCI)

So wer­den Dia­man­ten zu Qubits

Diamant-Kristall mit NV-Spins
Dia­mant-Kris­tall mit NV-Spins
Bild 1/2, Credit: © XeedQ GmbH

Diamant-Kristall mit NV-Spins

Das Bild zeigt ei­nen Dia­mant-Kris­tall mit NV-Spins auf ei­nem pho­to­ni­schen Mi­kro­chip.
Laserlicht zum Auslesen der Quanteninformationen
La­ser­licht zum Aus­le­sen der Quan­ten­in­for­ma­tio­nen
Bild 2/2, Credit: © SaxonQ GmbH / Swen Reichhold

Laserlicht zum Auslesen der Quanteninformationen

Die Quan­ten­in­for­ma­tio­nen der NV-Zen­tren – al­so der Stick­stoff-Fehl­stel­le-Kom­ple­xe in den Dia­man­ten – kön­nen mit ei­nem spe­zi­el­len La­ser aus­ge­le­sen wer­den.
  • Die Start-ups SaxonQ und XeedQ aus Leipzig entwickeln im Auftrag des DLR Quantencomputer, die auf Stickstoff-Fehlstellen in Diamant basieren.
  • Stickstoff-Fehlstellen in künstlichen Diamanten bilden die Qubits.
  • Die Systeme werden im DLR-Innovationszentrum Ulm integriert und betrieben.
  • Schwerpunkte: Quantentechnologie, Quantencomputing, Digitalisierung

Diamanten sind faszinierende Gebilde aus Kohlenstoff: Die Kristalle sind so hart wie kein anderer natürlicher Stoff, sie sind wertvolle Schmuckstücke – und sie können das Quantencomputing voranbringen. Ein vielversprechender Technologieansatz für das Quantencomputing ist die Realisierung von Qubits auf Basis von NV-Zentren in Diamant. Das bedeutet, dass sich die Rechen- und Speichereinheiten eines Quantencomputers in bestimmten Stickstoff-Fehlstellen (nitrogen-vacancy, NV) von Diamanten befinden. Die Quantencomputing-Initiative des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat jetzt Verträge mit SaxonQ und XeedQ zum Bau von NV-basierten Quantencomputern geschlossen. Die beiden Firmen aus Leipzig verfolgen unterschiedliche Ansätze für die Herstellung von NV-Zentren. Die DLR-Aufträge haben ein Gesamtvolumen von 57 Millionen Euro.

Fehler im Diamantkristall

Perfekte Diamanten bestehen aus einem makellosen Gitter von miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen. Eine Stickstoff-Fehlstelle ist eine Störung in diesem Kristallgitter. Sie kann auch natürlich vorkommen. Diamanten mit besonders vielen Stickstoffatomen sind gelblich gefärbt. Für Quantencomputer werden ausschließlich synthetische Diamanten verwendet. Künstlich in das Kristallgitter eingebrachte Stickstoffatome ersetzen Kohlenstoffatome auf deren Gitterplätzen. Wenn sich diese Stickstoff-Fremdatome mit einem benachbarten leeren Gitterplatz verbinden, entstehen NV-Zentren.

„Solche Qubits haben den Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur funktionieren. Dies erweitert den potenziellen Einsatzbereich dieser Quantencomputer deutlich. Andere Systeme, etwa mit supraleitenden Schaltkreisen, können nur bei sehr tiefen Temperaturen betrieben werden“, erklärt Dr. Robert Axmann, Leiter der DLR Quantencomputing-Initiative (QCI). NV-Quantenprozessoren gelten als leicht und mobil. Ihr Einsatz ist in Zukunft auch in Flugzeugen oder Satelliten denkbar.

Eine der aktuell größten Herausforderungen bei dieser Technologie liegt darin, mehrere geeignete NV-Zentren in geringem Abstand zu platzieren. Erst dann können sie effektiv miteinander verschränkt werden, was die Voraussetzung für einen Quantencomputer ist.

SaxonQ und XeedQ arbeiten mit unterschiedlichen Ansätzen

SaxonQ erzeugt die NV-Zentren mit einer eigens entwickelten Technik knapp unter der Oberfläche des Diamantkristalls. Diese Technologie verspricht eine hohe Präzision bei der gezielten Anordnung von NV-Zentren.

XeedQ ordnet die NV-Zentren in einer dreidimensionalen Struktur im Diamantkristall an, so dass sich eine gegenseitige Wechselwirkung ergibt. Zusammen mit einem speziellen Ausleseverfahren wird so der Bau eines skalierbaren Quantencomputers möglich.

In einer ersten Phase entsteht zeitnah in beiden Projekten jeweils ein Demonstrator-System mit mindestens vier Qubits. In späteren Phasen erfolgt die Entwicklung zu größeren Systemen: Nach vier Jahren soll der Bau von Quantencomputern mit mehr als 32 Qubits abgeschlossen sein, die skalierbar und fehlerkorrigierbar sind. Alle Systeme werden in den Laboren des DLR-Innovationszentrums Ulm integriert und betrieben.

Synergien mit weiteren Projekten in Ulm und Hamburg

In Ulm und im DLR-Innovationszentrum Hamburg bestehen enge Synergien mit weiteren Projekten in der DLR-Quantencomputing-Initiative. Eine Ausschreibung zum Thema Spin Enabling Technologien fokussiert auf Teilsysteme und Hilfstechnologien für spinbasiertes Quantencomputing. Die NV-Quantencomputer-Hersteller profitieren von der reproduzierbaren Herstellung und Charakterisierung der Qubit-Hardware, an der gemeinsam gearbeitet wird.

„Das DLR baut ein Quantenökosystem auf, in dem sich Forschung, Industrie und Start-ups gegenseitig ergänzen. Dabei verfolgt die DLR Quantencomputing-Initiative unterschiedliche technologische Ansätze, um diese zu evaluieren und für vielfältige Anwendungen einzusetzen. So lassen sich die Vor- und Nachteile verschiedener Architekturen für Quantencomputer erforschen“, sagt Dr. Karla Loida, Projektleiterin in der DLR Quantencomputing-Initiative. Kürzlich hat das DLR bereits Aufträge für die Entwicklung von Ionenfallen-Systemen und photonischen Systemen vergeben.

Die DLR Quantencomputing-Initiative

Im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative werden innerhalb der nächsten vier Jahre prototypische Quantencomputer unterschiedlicher Architekturen gebaut. Außerdem werden die damit verbundenen Technologien und Anwendungen entwickelt. Das DLR bindet Unternehmen, Start-ups und andere Forschungseinrichtungen ein, um gemeinsam die Arbeiten voranzutreiben.

Das DLR wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit Ressourcen ausgestattet und vergibt in großem Umfang Aufträge an Unternehmen. Das DLR bringt die eigenen Fähigkeiten und Fragestellungen in Forschung und Entwicklung ein und fokussiert auf den Transfer in die Wirtschaft.

Schnelle Berechnungen mit Quantenbits

Quantencomputer sind eine wichtige Technologie für die Zukunft: Sie können Berechnungen und Simulationen auf spezifischen Einsatzgebieten wesentlich schneller als klassische Supercomputer durchführen. Ihr Einsatz ist zum Beispiel im Verkehrs- und Energiebereich, aber ebenso bei der Grundlagenforschung oder dem Betrieb von Satelliten möglich. Quantencomputer nutzen quantenmechanische Effekte wie Verschränkung und Überlagerung aus: Ihre Quantenbits (Qubits) können die Zustände 0 und 1 gleichzeitig einnehmen – und nicht nur nacheinander, wie die klassischen Computer. Das wiederum macht Quantencomputer so leistungsfähig. Im DLR arbeiten über ein Dutzend Institute an der Entwicklung und Erforschung von Quantentechnologien. Auch im DLR besteht ein großer Bedarf, in Zukunft an und mit Quantencomputern zu forschen.

SaxonQ GmbH (Leipzig)

Das Deep-Tech-Unternehmen SaxonQ ist eine Ausgründung der Universität Leipzig. Seit dem Jahr 2021 entwickelt SaxonQ mobile Quantencomputer. Diese arbeiten bei Raumtemperatur in einer Büroumgebung und sind kommerziell erhältlich. Die SaxonQ Qubit-Technologie basiert auf NV-Zentren in Diamant. Das Gründerteam erforscht diese Technologie schon seit vielen Jahren.

XeedQ GmbH (Leipzig)

XeedQ ist ein Deep-Tech-Unternehmen mit Sitz in Leipzig, das Quantenprozessoren für Frühanwender und Frühanwenderinnen anbietet. XeedQ wurde im Jahr 2021 gegründet. Das Unternehmen nutzt diamantbasierte Spin-Qubits, um Quantenfunktionen mit hoher Energieeffizienz und Robustheit in einer mobilen Umgebung bereitzustellen.

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  • Katja Lenz
    Pres­se­re­dak­ti­on
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 2203 601-5401
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  • Dr. Robert Axmann
    Lei­ter DLR Quan­ten­com­pu­ting-In­itia­ti­ve
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    Vor­stand­spro­jek­te und Quan­ten­com­pu­ting-In­itia­ti­ve
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Quantencomputer

Neuartige Form eines Rechners, der auf Basis der Gesetze der Quantenphysik arbeitet. Seine Quantenbits (Qubits) können nicht nur die Zustände 0 und 1 einnehmen, sondern auch Zwischenwerte. Quantencomputer haben das Potenzial, bestimmte Aufgaben zu lösen, an denen klassische Computer scheitern.

Fehlstellen

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Qubits (Quantenbits) sind die kleinsten Rechen- und Speichereinheiten eines Quantencomputers, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren. Im Gegensatz zu den klassischen Bits der herkömmlichen Digitalrechner, die nur die Zustände 0 und 1 kennen, können Qubits unendlich viele Zwischenwerte annehmen. Als Qubits dienen Zweizustands-Quantensysteme auf atomarer Ebene (beispielsweise Atome, Ionen oder Lichtquanten) oder in Festkörpern (beispielsweise in Halbleitern oder Supraleitern).

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In der Quantenphysik spricht man von Verschränkung, wenn einzelne Zustände eines Gesamtsystems voneinander abhängen. In einem Quantencomputer bedeutet dies, dass ein Qubit Informationen über den Zustand eines anderen Qubits besitzt, und die Manipulation eines Qubits sich auf den Zustand des anderen Qubits auswirkt.