Neuartiger Quantencomputer ist effizienter und weniger fehleranfällig dank Diamantstruktur
Noch ist die Entwicklung nicht abgeschlossen, aber erste Einblicke, die ein funktionierendes Gitter aus zwölf Qubits gewährt, offenbaren eine ganze Reihe bemerkenswerter Eigenschaften. Dabei ist die Technik keinesfalls schneller oder besser als andere Ansätze für Quantencomputer, besitzt jedoch auch keine der üblichen, teils erheblichen Schwächen.
So ist keine extreme Abkühlung notwendig. Die Fehlerrate liegt mit unter 0,5 Prozent für ein Logikgatter aus zwölf Qubits wesentlich niedriger als bei den anderen Systemen. Dazu ist die Dauer der Kohärenz über zehnmal länger als bei supraleitenden Josephson-Kontakten, die etwa im Quantencomputer Sycamore Anwendung finden.
Das erlaubt eine verlässlichere Steuerung und eine wesentlich höhere Effizienz. So liefert das erste von vier geplanten Gattern laut Fraunhofer IAF das gleiche Ergebnis wie anderen Quantencomputer mit mehr als 100 Qubits.
Genutzt wird für diese erstaunlichen Resultate eine Diamantstruktur, welche aus C13-Kohlenstoffisotopen aufgebaut ist. Das etwas schwerere Isotop ist wie normaler Kohlenstoff stabil. Dank eines Anteils von immerhin 1,1 Prozent gestaltet sich auch der Zugang dazu unkompliziert.
In die Gitterstruktur des künstlichen Diamants sind Defekte, sogenannte Farbzentren, eingebracht. Stickstoff, Silizium, Germanium und Zinn kommen zum Einsatz, die sich auf eine Leerstelle im Diamantgitter setzen. Von außen betrachtet ist der Diamant an einer solchen Stelle verfärbt. Anschließend kann in einem dieser Farbzentren ein Elektron gefangen werden.
Der Elektronenspin, der sich in Wechselwirkung mit den fünf umgebenden Gitterpunkten befindet, ist dann ein adressierbares Qubit. Durch sich verändernde Wechselwirkungen im Gitter kann eine Änderung des Elektronenspins provoziert werden. Eine Matrix solcher Qubits ließe sich dann als Quantencomputer nutzen. Zudem findet eine optische Kopplung mittels Laserlicht mit weiteren, identisch aufgebauten Matrizen statt.
Ziel ist es, dass in absehbarer Zeit mindestens zwei und idealerweise vier solcher Qubit-Matrizen über eine Lichtquelle verbunden sind und durch Hochfrequenzpulse gesteuert werden können. Im ersten Versuch wurden nun zwei Register mit je sechs Qubits optisch verschränkt und konnten mit der bereits erwähnten Verlässlichkeit angesprochen werden.
Bis zum Abschluss des Projektes sollen aber noch ein paar Schritte zu gehen sein. Das Auslesen der Qubit-Zustände muss weiter optimiert werden. Auch die Software für eine automatisierte Steuerung dieses Spin-Photon-basierten Quantencomputers ist noch in Arbeit.
