Fujitsu präsentiert revolutionären Quantencomputer auf Diamantbasis

Der japanische Technologiekonzern Fujitsu hat einen bedeutenden Schritt im Bereich des Quantencomputings gemacht und den weltweit ersten funktionsfähigen Prototyp eines Quantencomputers vorgestellt, der auf Diamantspins basiert. Diese innovative Entwicklung nutzt die einzigartigen Eigenschaften von Zinn-Leerstellen-(SnV-)Zentren, die in photonische integrierte Schaltkreise eingebettet sind, und eröffnet neue Horizonte für leistungsfähigere und effizientere Quantensysteme.

Im Gegensatz zu herkömmlichen supraleitenden Quantencomputern, die extrem niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erfordern, zeigt die neue Entwicklung von Fujitsu ihre Funktionsfähigkeit bei deutlich höherer Temperatur — -271,6 Grad Celsius. Das vereinfacht den Betrieb erheblich und senkt den Energieaufwand, wodurch Quantencomputing dem praktischen Einsatz näher kommt. Das Forschungsteam von Fujitsu betont, dass der Einsatz von Licht zur Verbindung einzelner Rechenmodule ein Schlüsselfaktor ist, der zu Computern führen könnte, die die heutigen Möglichkeiten deutlich übertreffen.

Von atomaren Defekten zu leistungsstarken Berechnungen

Das Herzstück der neuen Technologie sind besondere Defekte im Kristallgitter des Diamanten, die als Farbzentren bekannt sind. Traditionell wurden in Diamant-Spin-Systemen Stickstoff-Leerstellen-(NV-)Zentren verwendet, bei denen ein Stickstoffatom die Position eines Kohlenstoffatoms neben einer Lücke einnimmt. Fujitsu konzentrierte sich jedoch auf Zinn-Leerstellen-(SnV-)Zentren. Diese Defekte zeichnen sich durch ein Zinnatom aus, das zwischen zwei Leerstellen in der Diamantstruktur liegt.

“Die symmetrische Struktur macht SnV-Zentren weniger empfindlich gegenüber externem Rauschen als traditionelle NV-Zentren. Außerdem emittieren SnV-Zentren Licht etwa zehnmal heller als NV-Zentren. Das könnte die optische Verbindung zwischen Quantenmodulen potenziell verbessern”, erklärten Vertreter von Fujitsu.

Diese Eigenschaft der SnV-Zentren bringt erhebliche Vorteile mit sich. Ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Einflüssen bedeutet eine geringere Wahrscheinlichkeit, Quantenzustände zu verlieren, was für den stabilen Betrieb von Qubits entscheidend ist. Die hellere Lichtemission erleichtert die optische Kopplung zwischen einzelnen Quantenmodulen, was für die Skalierung des Systems von zentraler Bedeutung ist. Darüber hinaus verspricht dieser Ansatz eine effizientere Fehlerkorrektur. Die spezifischen Eigenschaften der SnV-Zentren ermöglichen die Bildung logischer Qubits — der Grundlage des Quantencomputings — mit einer geringeren Anzahl physischer Qubits im Vergleich zu konkurrierenden Technologien. Das bedeutet, dass für die Ausführung komplexer Quantenalgorithmen weniger Ressourcen benötigt werden, was den Fortschritt bei der Entwicklung praktischer Quantenanwendungen beschleunigt.

Das Unternehmen hat bereits ehrgeizige Entwicklungspläne umrissen. Bis 2027 plant Fujitsu, einen multiblockigen Prototyp eines Diamant-Spin-Computers vorzustellen, und bis 2030 soll Quantencomputing kommerziell verfügbar sein. Laut ihrer Roadmap soll bis zum Geschäftsjahr 2030 ein System mit 250 logischen Qubits entwickelt werden, und bis zum Geschäftsjahr 2035 ein System mit 1000 logischen Qubits.

Diamanten in einen Quantenchip zu integrieren: ein Ingenieursmeisterwerk

Die Entwicklung eines derart komplexen Geräts erforderte fortschrittliche technische Lösungen. Fujitsu entwickelte ein spezielles Verfahren, das es ermöglicht, hochwertige Diamant-Substrate mit implantiertem Zinn in Substrate aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid zu integrieren. Der Diamant, der ursprünglich mehrere hundert Mikrometer dick war, wurde auf wenige hundert Nanometer dünn bearbeitet, um Teil der Quantenchips zu werden.

“Der Diamant-Spin-Ansatz, den wir in diesem Prototyp verwendet haben, bietet nicht nur an sich eine außergewöhnliche Skalierbarkeit, sondern hat auch das Potenzial, mit supraleitenden Quantencomputern integriert zu werden, um ihre Fähigkeiten weiter auszubauen und komplexere sowie umfangreichere Berechnungen auszuführen”, sagte Fujitsu-Technikchef Vivek Mahajan.

Parallel dazu entwickelte das Unternehmen photonische integrierte Schaltkreise, die Diamantkristalle im Nanometerbereich mit SnV-Zentren und optischen Wellenleitern aus Aluminiumoxid effizient verbinden. Ein wichtiges Element des Systems ist der entwickelte Mechanismus zur Steuerung von Diamant-Spin-Qubits mithilfe von Licht, Mikrowellen und Hochfrequenzwellen. Dadurch lässt sich der Zustand der Qubits präzise kontrollieren, was für die Ausführung komplexer Quantenalgorithmen erforderlich ist.

Dieser Erfolg ist das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen Fujitsu, der Technischen Universität Delft und QuTech, die 2020 begann. Koen Eikelen, CEO von QuTech, betonte die Bedeutung dieses Prototyps als Ergebnis gemeinsamer Forschung.

Die neue Technologie könnte bei Problemen zum Einsatz kommen, die für heutige Supercomputer unlösbar sind, insbesondere bei der Entwicklung neuer Medikamente und Materialien, der Optimierung komplexer Lieferketten und in der Kryptografie. Fujitsu strebt außerdem an, Quantencomputing für einen breiteren Nutzerkreis zugänglich zu machen, indem die Entwicklung in eine Plattform für hybrides Quantencomputing integriert wird, die keine tiefen Spezialkenntnisse für die Arbeit mit der Hardware erfordert. Dieser Schritt zeigt das Bestreben des Unternehmens, Quantentechnologien praktischer und zugänglicher zu machen.