Qubits sind die Recheneinheiten von Quantencomputern. Sie lassen sich auf unterschiedliche Weise herstellen. Eine Möglichkeit sind sogenannte Spin-Qubits in Festkörpern, zum Beispiel in Diamanten: Dann stecken die Qubits in Fehlstellen, die gezielt in die Struktur von Diamantkristallen eingefügt werden. Die Quantencomputing-Initiative im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat in diesem Zusammenhang jetzt zwei Aufträge vergeben. Advanced Quantum aus Allmersbach (Baden-Württemberg) entwickelt in den kommenden dreieinhalb Jahren eine Qualitätssicherung für diese veränderten Diamant-Strukturen und andere Festkörper, die für Qubits geeignet sind. Diatope aus Ummendorf (Baden-Württemberg) erzeugt hochwertige Diamantschichten mit Stickstoff-Fehlstellen. Die Aufträge haben ein Gesamtvolumen von 13 Millionen Euro.
„Start-ups profitieren besonders von der DLR
Quantencomputing-Initiative, die jungen Unternehmen werden effektiv in
den Aufbau eines kommerziellen Ökosystems für Quantencomputing
eingebunden. So kann eine industrielle Basis entstehen, die
international wettbewerbsfähig ist und den Technologiestandort
Deutschland in dieser Schlüsseltechnologie stärkt“, sagt Dr. Anna
Christmann, Beauftragte des Bundesministerium für Wirtschaft und
Klimaschutz (BMWK) für die digitale Wirtschaft und Start-ups.„Stickstoff-Fehlstellen in Diamant gelten als geeignete Spin-Qubits für
den Bau von Quantencomputern. Für die weitere Entwicklung ist es
wichtig, dass die Spin-Qubits in ausreichender Zahl und in hoher
Qualität zur Verfügung stehen. Darum geht es bei diesen Aufträgen“,
erklärt Dr. Robert Axmann, Leiter der DLR Quantencomputing-Initiative
(QCI). Die Vorteile von diamantbasierten Qubits liegen unter anderem
darin, dass sie bei Raumtemperatur funktionieren. Supraleitende Systeme,
die auch zu den Festkörpern zählen, sind vergleichsweise weit
entwickelt. Sie brauchen aber extrem tiefe Temperaturen. „Für das
Quantencomputing ist noch völlig unklar, welche Systeme gut skalieren –
also höhere Anzahlen von Qubits erlauben – und fehlerfrei
beziehungsweise fehlerkorrigierbar arbeiten. Deswegen ist es umso
wichtiger, dass viele Qubit-Technologien erforscht werden“, ergänzt
Robert Axmann.
Hersteller profitieren voneinander
Die beiden Start-ups unterstützen und beschleunigen die weitere Entwicklung von Quantencomputern auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren, nitrogen-vacancy) in Diamant. Sie gewährleisten außerdem, dass die gefertigten Qubits gleichbleibende Eigenschaften haben. Die erteilten Aufträge entwickeln und erweitern gezielt das Ökosystem für den Bereich von Quantencomputern auf Basis von Festkörperspins und sind eng mit den Aufträgen zum Bau von Quantencomputern auf Basis von NV-Zentren verzahnt.
Advanced Quantum erarbeitet eine Qualitätssicherung für Spin-Qubits in Festkörpern. Die Fehlstellen in Diamanten und anderen Materialien sollen dazu mit Laserstrahlen, Mikrowellen und Radiofrequenzen angesteuert werden. Um die Eigenschaften der Spin-Qubits möglichst detailliert darstellen zu können, führt Advanced Quantum zusätzlich eine Analyse der Proben unter kryogenen (ultrakalten) Temperaturen durch.
Diatope produziert Quantenhardware auf Basis von NV-Zentren. Diatope lässt also besonders reine Diamantschichten kontrolliert wachsen und implantiert dann Stickstoff-Ionen in die Kristall-Struktur. Anschließend werden die Diamanten erhitzt. Dadurch gewinnen sie ihre Gitterstruktur zurück, die durch den Einbau der Stickstoff-Ionen gestört wurde. Für die einzelnen Prozesse baut Diatope spezielle Anlagen und optimiert deren Betrieb.
„Eine enge Zusammenarbeit ist vorgesehen – nicht nur zwischen den beiden Projekten, sondern auch mit anderen Industriepartnern und DLR-Instituten in der DLR Quantencomputing-Initiative. Davon profitieren alle Beteiligten und gleichzeitig wird das Quantencomputing-Ökosystem am Standort Deutschland insgesamt vorangebracht“, erklärt Dr. Karla Loida, Projektleiterin in der DLR Quantencomputing-Initiative (QCI). Beide Start-ups nutzen Labore im DLR-Innovationszentrum Ulm. Dort und im DLR-Innovationszentrum Hamburg bestehen Synergien mit den DLR-Instituten und weiteren Projekten in der DLR Quantencomputing-Initiative.
Die DLR Quantencomputing-Initiative
Die DLR Quantencomputing-Initiative (QCI) baut innerhalb der nächsten vier Jahre prototypische Quantencomputer unterschiedlicher Architekturen. Außerdem werden die damit verbundenen Technologien und Anwendungen entwickelt. Das DLR bindet Unternehmen, Start-ups und andere Forschungseinrichtungen ein, um gemeinsam die Arbeiten voranzutreiben.
Das DLR wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit Ressourcen ausgestattet und vergibt in großem Umfang Aufträge an Unternehmen. Das DLR bringt die eigenen Fähigkeiten und Fragestellungen in Forschung und Entwicklung ein und fokussiert auf den Transfer in die Wirtschaft.
Schnelle Berechnungen mit Quantenbits
Quantencomputer sind eine wichtige Technologie für die Zukunft: Sie können Berechnungen und Simulationen auf spezifischen Einsatzgebieten wesentlich schneller als klassische Supercomputer durchführen. Ihr Einsatz ist zum Beispiel im Verkehrs- und Energiebereich, aber ebenso bei der Grundlagenforschung oder dem Betrieb von Satelliten möglich. Quantencomputer nutzen quantenmechanische Effekte wie Verschränkung und Überlagerung aus: Ihre Quantenbits (Qubits) können die Zustände 0 und 1 gleichzeitig einnehmen – und nicht nur nacheinander, wie die klassischen Computer. Das wiederum macht Quantencomputer so leistungsfähig. Im DLR arbeiten mehrere Institute mit Quantentechnologien. Auch im DLR besteht ein großer Bedarf, in Zukunft an und mit Quantencomputern zu forschen.
Advanced Quantum GmbH (Allmersbach, Baden-Württemberg)
Advanced Quantum ist eine Ausgründung aus dem 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart. Das junge Start-up entwickelt und vermarktet neuartige Quantentechnologien mit einem Schwerpunkt auf Sensorik und Messtechnik-Anwendungen. Dazu gehören auch Charakterisierungsaufbauten für Spin-Qubits. Neben den Entwicklungsarbeiten bietet das Unternehmen Quantenphysikexperimente für Ausbildungs- und Schulungszwecke in Hochschulen und Firmen an.
Diatope GmbH (Ummendorf, Baden-Württemberg)
Diatope wurde im Jahr 2021 gegründet und ist ein Spin-off aus dem Institut für Quantenoptik der Universität Ulm. Das Start-up entwickelt hochreine Diamantschichten für Anwendungen in den Quantentechnologien. Diatope setzt auf die kontrollierte Herstellung atomarer Defekte in diesen synthetischen Diamanten. Sie werden mit komplexen Verfahren in speziellen Vakuumanlagen realisiert. Der Fokus von Diatope liegt auf der Optimierung der Quanteneigenschaften dieser Defekte für die Verwendung in der Sensorik sowie in der Quantencomputer-Industrie.
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Titelbild: Plasma-Ball im Wachstumsreaktor
Bild 1/2, Credit: © CO / Diatope GmbH