NV-Zentren | Stickstoff-Fehlstellen

Dank ihrer hohen Zuverlässigkeit und – verhältnismäßig – einfachen Handhabung, sind Qubits aus NV-Zentren ein vielversprechender Technologieansatz für das Quantencomputing. Sie benötigen keine Kühlung und können deswegen auch mobil genutzt werden – ein großer Vorteil gegenüber anderen, aufwändigeren Systemen. Das ermöglicht transportable Quantencomputer, zum Beispiel auch in Flugzeugen und Satelliten. Aber NV-Zentren können noch mehr als rechnen: Weil sie empfindlich auf Magnetfelder reagieren, eignen sie sich auch als extrem feinfühlige Quantensensoren mit einer großen Vielfalt von Anwendungsfällen.


Diamant-Kristall mit NV-Spin-Qubits auf einem photonischen Mikrochip | Bild: XeedQ

Bedeutung für Deutschland

Neben Ionenfallen sind NV-Zentren eine der am stärksten in der deutschen Industrie vertretenen Quantentechnologien. Rund um ihre Produktion, Klassifizierung und Einsatz ist ein lebendiges Ökosystem vieler Firmen und Startups entstanden. Viele Forschungseinrichtungen aus Deutschland sind international führend auf diesem Gebiet. Diese Expertise ist ein Gewinn für das gesamte Ökosystem Quantencomputing.

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NV-Zentren in der DLR QCI

Der erste NV-Zentren-Auftrag ist der Bau zweier Demonstrator-Systems mit mindestens vier Qubits und einer einfachen Bedienoberfläche. So ein System existiert bereits als Prototyp, ist mobil und hat ungefähr die Größe eines kleinen Kühlschranks – es steht also rasch für Anwenderinnen und Anwender im DLR zur Verfügung. Damit können sie neu entwickelte Quantenalgorithmen direkt auf echter Quantenhardware testen.

Der nächste große Schritt ist die Weiterentwicklung zu größeren Systemen: Zum Ende der Projektlaufzeit erwarten wir zwei Quantencomputer mit 32 Qubits, die skalierbar und fehlerkorrigierbar sind, und auf denen Algorithmen mit hoher Nutzerfreundlichkeit ausgeführt werden können. Die Entwicklung erfolgt in mehreren Arbeitspaketen, sodass die Anzahl der Qubits, deren Güte und die Funktionalität der Steuerungssoftware nach und nach erhöht werden können.

Darüber hinaus entwickeln wir zwei Hilfstechnologien, sogenannte Spin-enabling-Technologien: 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.

Mobiler NV-Zentren-Quantencomputer | Bild: SaxonQ

Luminiszenz NV-Zentrum | Bild: SaxonQ

Technische Umsetzung

NV-Zentren-Quantencomputer nutzen Fehler in Diamantkristallen für die Realisierung von Qubits. Dabei wird in der Kristallstruktur des Diamanten ein Kohlstoff-Atom durch ein Stickstoff-Atom ersetzt. Benachbart zum Stickstoff-Atom entsteht eine Leerstelle – eine Lücke im Kristall –, die mit Elektronen besetzt wird. Durch die Wechselwirkung des Spins dieser Elektronen mit den Kernspins der umgebenden Kohlenstoff- und Stickstoff-Atome, können der Spin des NV-Zentrums und die Kernspins der umliegenden Kerne als Qubits genutzt werden. Die Verschränkung resultiert aus den Wechselwirkungen der Spins. Indem man diese Spins durch Mikrowellen und Radiowellen manipuliert, können Gatteroperationen für Berechnungen umgesetzt werden.

Die zentrale, technologische Herausforderung ist die kontrollierte Erzeugung mehrerer NV-Zentren, die sehr dicht beieinander liegen müssen – üblich sind weniger als 20 nm. Diese kontrollierte Erzeugung und Platzierung ist das Nadelöhr für die Skalierbarkeit von Quantencomputern mit NV-Zentren-Qubits. Deswegen ist ein Ziel des QCI-Auftrags, deren geschickte zwei- und dreidimensionale Anordnung weiterzuentwickeln. Hier helfen uns die enormen Erfahrungen mit NV-Zentren-Quantensensoren in Deutschland.


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