Spin-enabling-Technologien

Qubits auf Basis von Festkörper-Spins versprechen gute Miniaturisierbarkeit und hohe Skalierbarkeit. Damit eignen sie sich gut für den Bau von Quantencomputern. Allerdings ist ihre gezielte und reproduzierbare Herstellung mit bekannter Charakteristik noch eine Herausforderung. Im Rahmen der QCI entwickeln wir zwei Hilfstechnologien: ein universelles Qualifizierungssystem für Spin-Qubits in Festkörpern sowie einen Prozess für die reproduzierbare Herstellung von NV-Zentren in Diamant. Damit unterstützen wir sowohl die Entwicklung unserer eigenen Quantencomputer auf Basis von NV-Zentren als auch das Ökosystem Quantencomputing.

Vakuumkammer des Wachstumsreaktors, in dem die synthetischen Diamantschichten gewachsen werden. Bild: CO, Diatope

Bedeutung für Deutschland

Quantencomputer auf Basis von NV-Zentren haben im deutschen Ökosystem Quantencomputing eine besonders große Bedeutung. Weil NV-Zentren aber neben dem Quantencomputing auch viele weitere Quantentechnologien ermöglichen, ist es umso wichtiger, auch die zugehörigen Zulieferketten zu ertüchtigen. Die im Rahmen der QCI entwickelten Herstellungsverfahren und Charakterisierungssysteme unterstützen damit auch Unternehmen im Bereich Quantensensorik, Quantenspeicher und Quantennetzwerke. Auf diese Weise kann in Deutschland ein komplettes Ökosystem für die Herstellung von NV-Zentren in Diamant entstehen.

Spin-enabling-Technologien in der DLR QCI

Das Ziel unserer Industrieaufträge ist die Entwicklung eines universellen Qualifizierungssystems für Spin-Qubits in Festkörpern sowie die reproduzierbare Herstellung von NV-Zentren in Diamant als Basis für Diamant-basierte Quantencomputer. Davon profitieren direkt die von uns mit der Entwicklung von Quantencomputer mit NV-Zentren beauftragten Unternehmen. Die Arbeiten an diesen Spin-enabling-Technologien erfolgen am Innovationszentrum Ulm. Dort profitieren sie von vielen Standortvorteilen, etwa die Nähe zum Institut für Quantenoptik der Universität Ulm, welches führend im Bereich der Forschung an Fehlstellen in Diamant ist.

Rote Fluoreszenz eines Diamant mit NV-Zentren
| Bild: Advanced Quantum

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Laserstrahlen zur optischen Anregung in einem Laboraufbau | Bild: Advanced Quantum

Technische Umsetzung

Wir haben zwei Aufträge vergeben. Einen für den Bau und Betrieb eines modularen, anpassbaren Qualifizierungssystems für Spin-Qubits in Festkörpern. Das System steuert einzelne NV-Zentren in Diamant und anderen Defekte in Festkörpern mit Lasern, Mikrowellen und Radiofrequenzen an. Die Charakterisierung erfolgt bei Raumtemperatur und kryogenen Temperaturen, um die Eigenschaften der Spin-Qubits möglichst detailliert darstellen zu können.

Ein zweiter Auftrag adressiert die Entwicklung eines Prozesses für die reproduzierbare Herstellung von Quanten-Hardware-Bauteilen auf Basis von NV-Zentren: Dazu werden Diamentschichten kontrolliert aufgebaut, in die dann gezielt Stickstoff-Ionen implantiert werden. Anschließend wird der Diamant stark erhitzt, wodurch er seine Gitterstruktur zurückgewinnt, die durch die Implantation der Stickstoff-Ionen gestört wurde. So bilden sich qualitativ hochwertige NV-Zentren. Dieser Prozess setzt spezielle Anlagen voraus, die in unseren Labors am Innovationszentrum Ulm entwickelt und gebaut und im Betrieb optimiert werden.


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