Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMDas Forschungsvorhaben »SiQuRe II« erforschte die Bedingungen für robuste Quantenzustände in gekoppelten Spinsystemen aus NV-Zentren und 13C Atomen, um deren Potenzial als Qubits für festkörperbasierte Quantencomputer zu erschließen. Ziel war es, essenzielle Quanteneigenschaften zu charakterisieren und die Skalierbarkeit dieser Systeme zu analysieren.
SiQuRe II: Modellierung und Simulation von NV-basierten Qubit-Registern
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Das Forschungsvorhaben SiQuRe II behandelte mit Modellen und Computersimulationsmethoden der theoretischen Quantenphysik die Frage, unter welchen Bedingungen ein gekoppeltes Spinsystem, bestehend aus NV-Zentren und einigen 13C Atomen, robuste Quantenzustände aufweist, die sich als Qubit-System für den Aufbau von festkörperbasierten Quantencomputern nutzen lassen. Die Charakterisierung und Zertifizierung essenzieller Quanteneigenschaften, wie z.B. der Verschränkungsgehalt, wurden im Hinblick auf die Skalierbarkeit erforscht.
Des Weiteren wurde in diesem Projekt an der Frage gearbeitet, welche Möglichkeiten die aktuelle und perspektivisch auch die zukünftig zur Verfügung stehende QC-Hardware bietet, um zur Lösung material- und quantenphysikalischer Probleme beizutragen. Dafür wurden einfache Modelle der theoretischen Festkörperphysik auf dem IBM Quantum System One umgesetzt und mittels hybrider variationeller Algorithmen unter Einbeziehung geeigneter Fehlerkorrektur- und Fehlermitigationstechniken gelöst. Ebenso wurden verschiedene Methoden zur Simulation von designten offenen Quantensystemen implementiert und deren jeweilige Performanz auf dem IBM Quantum System One getestet sowie die Techniken für die Simulation von offenen Vielteilchensystemen in kollektiven Spin-Bädern weiterentwickelt.
Darüber hinaus wurde die Genauigkeit erprobt, mit der sich Register-Zustände variablen Verschränkungsgehalts, unterschiedlicher Struktur (z.B. W-, GHZ-, Werner-Zustände) und zunehmender Größe auf dem IBM Quantum System One verlässlich herstellen und zertifizieren lassen. Dabei wurde der Verschränkungsgrad der so präparierten Zustände direkt projektiv gemessen oder geeignet nach unten abgeschätzt.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM
- Modellierung dissipativer NVCR, Berechnung der Kohärenzzeit T2, die bestimmt, wie lange Rechenoperationen mit den Registern durchgeführt werden können
- Analyse der Abhängigkeit der Kohärenzzeit T2 von der Anzahl und der Anordnung von umliegenden 13C- und 14N-Atomen sowie dem angelegten externen Magnetfeld
- Umsetzung von der Festkörperphysik inspirierter Modellsysteme auf IBM Q Hardware
- Untersuchung fermionischer Cluster mit einer sukzessiven Steigerung der Systemgröße, Verwendung der verfügbaren Fehlerkorrekturmethoden
Transfer der Projektergebnisse in FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM
- Beschreibung und Modellierung gekoppelter NV-13C-Spinregister (NVCR) von der atomistischen Struktur über Spinmodelle mit Umgebungseinflüssen bis zur Quanteninformationstheorie für den Verschränkungsgehalt
- Feststellung von Grenzwerten/Toleranzen für den zukünftigen Aufbau individueller NVCR sowie die Kopplung mehrerer NVCR »on-chip«
- Quantifizierung essentieller Quanteneigenschaften von NVCR unterschiedlicher Dimension unter Berücksichtigung realer Materialumgebungseigenschaften
- Entwicklung von Diagnostik-/Zertifizierungsprotokollen sowie Untersuchung des Skalierungsverhaltens mit der Größe der Quantenregister
- Implementierung/Benchmarking geeigneter effektiver Modelle der theoretischen Material- und Quantenphysik auf das IBM Quantum System One
Förderhinweis
Dieses Verbundprojekt wurde vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert.
