Prof. Dr. Rüdiger Quay, geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF, spricht mit uns über das von ihm geleitete Projekt „SPINNING – Quantencomputer auf Basis von Spin-Qubits in Diamant“.
Prof. Quay, bisher werden binäre Systeme und Quantencomputer als parallel existierend beschrieben. Im Projekt Spinning möchten Sie jedoch beide koppeln.
Aktuelle Quantencomputer haben ungeahnte Fähigkeiten, wenn sie final in Spezialmaschinen entwickelt sind und bei niedrigen Temperaturen von weniger als 4 K (-269 °C) laufen. Ein Ansatz der neuen Hybrid-Technologie ist es, mit wenigen Qubits als Quanten-Acceleratoren bereits Laptops so auszustatten, dass wir mit ihnen bei Raumtemperaturen Quantenvorteile erschließen können. Das geht beispielsweise schon mit einem 19-Zoll-Rack als Hardware-Erweiterung. Indem wir binäre Neumann-Rechner und hochperformante Quantenrechner sinnvoll kombinieren, verkürzen wir den Weg zur Anwendung des Quantencomputings, etwa bei der Simulation von chemischen Orbitalen.
Wie gehen Sie derzeitige Herausforderungen wie die Dekohärenz an?
Der Ansatz von ‚SPINNING‘ sieht auch neuartige Verknüpfungen und Architekturen vor. Diese erlauben es, Qubit-Kerne mit optischen Wellenleitern über längere Strecken zu koppeln. So erreichen wir eine vergleichsweise hohe Kohärenz.
Aus Materialsicht fokussieren Sie sich auf Diamanten. Wieso? Reicht synthetischer Diamant?
Man nimmt Diamant oder auch SiC wegen den besonderen Kristalleigenschaften der Defekte in den Materialien, die auch bis zu hohen Temperaturen funktionieren. Deshalb sind sie einmalig. Für das Material ist synthetischer Diamant zwingend notwendig, da wir über eine bestimmte Kristallorientierung mit einer definierten Dotierung und Reinheit sprechen, die man technisch einstellen und optimieren muss für den ganz konkreten Zweck. Insgesamt wird ein Quantencomputer auf Diamant-Basis besonders viele Energieressourcen sparen, da dort die Energieaufnahme nicht linear mit der Rechenleistung steigt und keine kryogene Kühlung nötig ist. Es geht ja um HPC-Aufgaben mit besonders hohem Energieaufwand. Andere Ansätze sind deutlich ressourcenintensiver.
Sie sagen ‚Ein oft vernachlässigter, zentraler Parameter dabei ist die Konnektivität der Qubits‘. Wieso ist dem so und welche Probleme ergeben sich daraus?
Viele Menschen zählen nur die Qubits unter der Annahme, dass diese optimal miteinander verbunden sind. Dann kommen Wunderrechenleistungen heraus. Eine optimale Konnektivität ist in der Realität aber nie gegeben und daher hat der reale Quantencomputer weniger Performanz. Unsere Lösung ermöglicht durch das gewählte Material und die neuartigen Architekturen, die es zulässt, allerdings eine deutlich höhere Konnektivität als andere Ansätze.
Welche Fachdisziplinen werden benötigt, um das Projekt erfolgreich bewältigen zu können?
Da kommen einige zusammen: Für das Wachstum von Diamanten benötigt man Vertreter aus der Elektrotechnik oder Physik, für die Prozess-Technologie idealerweise Elektrotechniker, Physiker oder Chemiker. Dazu kommen Aufgaben aus der Ansteuerung für Elektrotechniker, genauso arbeiten wir mit Vertreten aus der Mikrowellen-Technik, Hochfrequenztechnik, Optik (Physik) und Informatik.
Mehr zum Projekt auf der Seite quantentechnologien.de.
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