Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Projekt »SPINUS« erreicht Meilensteine auf dem Weg zu skalierbaren Festkörper-Quantencomputern
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Die Weiterentwicklung skalierbarer Festkörper-Quantencomputer von Materialien bis hin zu Quantenprozessoren und -simulatoren – das ist das ehrgeizige Projektziel des europäischen Verbundprojekts »SPINUS«. Bei ihrem jährlichen Treffen, das im Februar in Trento, Italien, stattfand, kamen die Projektpartner zusammen, um ihre neuesten wissenschaftlichen Erfolge zu bewerten und sich auf strategische Ziele für die kommenden Projektphasen zu einigen. Während der zweitägigen intensiven Diskussionen, einschließlich einer Networking-Veranstaltung zu Quantentechnologien mit externen Teilnehmenden, präsentierte das Konsortium entscheidende Meilensteine und wurde der Rolle von SPINUS bei der Förderung der europäischen Quantenforschung gerecht.
Das Horizon Europe-Projekt »SPINUS« stellt sich der Herausforderung, skalierbare Quantencomputertechnologien mit einem innovativen Ansatz zu entwickeln. Durch die Nutzung von Dipolwechselwirkungen zwischen Elektronenspins von Stickstoff-Vakanz-Farbzentren (NV-Zentren) werden Festkörper-Qubits für Quantensimulatoren und Quantencomputer entwickelt. Diese Technologie erfordert winzige NV-NV-Abstände von mehreren zehn Nanometern. Neben der technischen Herausforderung, NV-Zentren in einer regelmäßigen Anordnung auf so kleinen Längenskalen anzuordnen, ist auch das Auslesen der Quantenzustände schwierig, da benachbarte NV-Zentren optisch nicht mehr aufgelöst werden können. Das Projekt »SPINUS« reagiert auf diese Herausforderungen mit der Entwicklung neuartiger Auslesetechniken und verbesserter Materialsynthesen.
Die ersten zwölf Monate des vierjährigen Projekts haben bereits zu bedeutenden Fortschritten in den jeweiligen transdisziplinären Bereichen geführt, die Teil des ganzheitlichen Projektansatzes sind. Während eines Projekttreffens in Trento, Italien, traf sich das internationale Konsortium, um seine Fortschritte zu besprechen und den Weg zur Realisierung eines Festkörper-Quantencomputers mit mehr als 10 Qubits sowie eines Festkörper-Quantensimulators mit mehr als 50 Qubits zu ebnen.
Während des Treffens schlossen sich externe Interessenvertreter und Gastredner von der Universität Trient, der Universität Turin, dem Nationalen Forschungsrat Italiens (CNR) und der TNO Netherlands Organization for Applied Scientific Research an, was zu einem fruchtbaren Austausch über das »SPINUS«-Konsortium hinaus führte.
Meilensteine des Projekts und Forschungshighlights
Die neuesten Entwicklungen im Rahmen von »SPINUS« zeigen bedeutende Fortschritte in verschiedenen Forschungsbereichen und unterstreichen das Engagement des Konsortiums für bahnbrechende Forschung im Bereich der Quantentechnologien. Das internationale Projektteam arbeitet Hand in Hand an seinem gemeinsamen Ziel, die Entwicklung skalierbarer Festkörper-Quantencomputer voranzutreiben.
Forschende des FZJ sowie der Universitäten Ulm und Stuttgart haben erhebliche Fortschritte bei der Spinsteuerung und -auslesung erzielt. Dazu gehört die erfolgreiche Implementierung kontrollierter Phasengatter zwischen zwei NVs und die Stickstoff-Spinpolarisierung mithilfe von PulsePol-Techniken. Das Team hat außerdem den ersten technischen Bericht über Polarisationssequenzen bei der Europäischen Kommission eingereicht.
Unter der Leitung der Universität Linköping wurden bedeutende Fortschritte bei der Materialsynthese erzielt. Dazu gehören das Wachstum hochwertiger, isotopenreiner Siliziumkarbidschichten mit hoher Oberflächenglätte und das Wachstum von Diamantsandwichstrukturen mit dünnen isotopengesteuerten Schichten.
Forschende der Universitäten in Delft, Stuttgart und Ulm konnten erfolgreich optimale Steuerungssequenzen zur Initialisierung und Programmierung ihrer Quantensimulatoren implementieren. Die Teams erzielten bemerkenswerte Fortschritte bei der Steuerung und Messung großer Kernspin-Netzwerke mit mehr als 40 Spins und demonstrierten erfolgreich dissipative Phasenübergänge mit ihren Quantensimulatoren.
Darüber hinaus arbeiteten die Teams in Hasselt, Ulm, Stuttgart und Delft weiter an der Verbesserung ihrer farbstoffbasierten Quantencomputer. Sie entwickelten dynamisch entkoppelte Hochfrequenz-Verschränkungsgatter und demonstrierten Zwei-Qubit-Gatter mit hoher Genauigkeit in Quantenregistern mit bis zu 7 Qubits. Parallel dazu wurden an der Universität Hasselt, der Technischen Universität Dänemark, der Fondazione Bruno Kessler und Quantum Brilliance elektrische Auslesetechniken weiterentwickelt.
Diese beeindruckenden experimentellen Entwicklungen wurden durch Verbesserungen klassischer Simulationsmethoden und Quantenalgorithmen ergänzt. Unter der Leitung des Wigner RCP verbesserten die Teams am FZJ, in Stuttgart, Ulm und am Fraunhofer IAF Methoden, um die Leistung von Quantencomputern zu bewerten und die Dynamik großer Spin-Netzwerke zu simulieren.
Mit all diesen Entwicklungen treibt »SPINUS« Innovationen und Zusammenarbeit im Bereich der Quantentechnologien voran und positioniert sich als internationaler Vorreiter in der Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet.
»SPINUS« Roadmap
Das Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, sein Engagement in europäischen Quanteninitiativen wie dem »European Quantum Industry Consortium (QuIC)« und dem Projekt »QUCATS – Quantum Flagship Coordination Action and Support« zu vertiefen. Dadurch sollen Synergien zur weiteren Förderung des Forschungsfortschritts auf internationaler Ebene frühzeitig identifiziert und genutzt werden. Darüber hinaus werden Quanten-Pilotlinien innerhalb des »Chips Joint Undertaking« erforscht und in die SPINUS-Roadmap integriert. »Europas Forschung im Bereich der Quantentechnologien ist Weltklasse und kann am globalen Wettlauf um die Entwicklung von Quantencomputern im großen Maßstab und den Nachweis von Quantenvorteilen teilnehmen. Im Rahmen von ›SPINUS‹ kombinieren und nutzen wir die individuellen Stärken unserer Partnerinstitutionen, um Festkörper-Quantentechnologien voranzutreiben,« unterstreicht Dr. Martin Koppenhöfer, Projektkoordinator am Fraunhofer IAF.
Um die Zusammenarbeit innerhalb des europäischen Quanten-Ökosystems über das Quantencomputing hinaus weiter zu fördern, organisierte »SPINUS« im Rahmen seines Jahrestreffens in Trento, Italien, eine Networking-Veranstaltung zum Thema Quantentechnologien mit. Die Veranstaltung zeigte Synergien zwischen EU-finanzierten Projekten auf und unterstrich die zentrale Rolle von diamantbasierten Quantenmaterialien und -geräten für Quantencomputing, -sensorik und -kommunikation.
Über »SPINUS«
Das Projekt SPINUS wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm »Horizon Europe« der Europäischen Union (Fördervertrag Nr. 101135699) finanziert und hat eine Laufzeit von vier Jahren. Im Rahmen von »SPINUS« wird das einzigartige Fachwissen von 12 Partnern aus acht verschiedenen Ländern zusammengeführt. Das Konsortium besteht aus: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung e.V. mit dem Institut Fraunhofer IAF, Universität Ulm, Dänemarks Technische Universität, Universität Stuttgart, Forschungszentrum Jülich GmbH, Universität Hasselt, Universität Linköping, Technische Universität Delft, Wigner Fizikai Kutatokozpont, Fondazione Bruno Kessler, Quantum Brilliance GmbH und AMIRES.
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