Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMDas Forschungsvorhaben untersuchte mit Modellen und Computersimulationsmethoden der theoretischen Quantenphysik die Frage, inwieweit sich als Qubits adressierbare atomare Defektkomplexe in Kristallen entlang linearer Strukturdefekte periodisch anordnen und als Qubit-Register für den Aufbau von Quantencomputern nutzen lassen. Ziel war es, essenzielle Quanteneigenschaften zu charakterisieren und die Skalierbarkeit dieser Systeme zu analysieren.
SiQuRe: Modellierung und Simulation von Qubit-Registern aus Ketten von NV-Zentren auf Versetzungen in Diamant
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Die IBM-Quantencomputer verwenden supraleiterbasierte Schaltkreise als elementare Qubits. Diese so gut wie möglich gegen äußere Störungen abzuschirmen, erfordert einen großen technologischen Aufwand. So wird der Quantenprozessorchip auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt und gegen elektrische und magnetische Felder abgeschirmt. Ein alternativer, technologisch jedoch erst am Anfang stehender Ansatz zur Realisierung von Qubits, sieht die Verwendung bestimmter isolierter Kristalldefekte in Festkörpern vor. Der meistversprechende Kandidat hierfür ist das Stickstoff-Vakanz- Zentrum (NV-Zentrum) im Diamantkristall, welches seine Quanteneigenschaften selbst bei Raumtemperatur für erstaunlich lange Zeit aufrechterhält.
Im Verbundprojekt »Modellierung und Simulation von Qubit-Registern aus Ketten von NV-Zentren auf Versetzungen in Diamant« (SiQuRe) wurden mittels Modellen und Simulationen Konzepte für festkörper/diamantbasierte Qubit-Register entwickelt. Das Forschungsvorhaben behandelte mit Modellen und Computersimulationsmethoden der theoretischen Quantenphysik die Frage, inwieweit sich als Qubits adressierbare NV-Zentren in Diamant entlang linearer Strukturdefekte periodisch anordnen und für den Aufbau zukünftiger Quantencomputer nutzen lassen. Große Fortschritte wurden dabei vor allem im Bereich des Fehlermanagements auf der Grundlage der Algorithmen VQE (Quantum Eigen Solver) und VQD (Variational Quantum Deflation) erzielt.
Perspektivisch soll das Projekt die Frage beantworten, welche für das Quantencomputing unverzichtbaren Quanteneigenschaften unter Zugrundelegung realer Materialeigenschaften bei welcher Registergröße zu welchem Grade kontrolliert erzielbar sind und welche Anforderungen hieraus an Diamant-NV-basierte Quantencomputing-Hardware folgen.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM
- Atomistische Modellierung von Qubit-Arrays, Berechnung wesentlicher Materialparameter zur Charakterisierung der NV-Qubit-Arrays, Untersuchung der Wechselwirkungen von NV-Zentren mit den Kristalldefekten in Diamant sowie mit Fremdatomen (Dotierungen/Verunreinigungen) in der Umgebung der NV-Zentren
- Implementierung phänomenologischer festkörperphysik-inspirierter Modelle auf IBM Quantencomputern, Evaluierung von Algorithmen und Fehlermitigationstechniken, Parameterstudien zum Test der Fähigkeiten der Quanten-hardware sowie die Bewertung der Performanz im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren auf klassischen Computer
Transfer der Projektergebnisse in FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM
- Atomistische Berechnung und Bewertung des Einflusses atomarerer Kristalldefekte auf Materialeigenschaften
- Beschreibung und Modellierung von NV-basierten Qubits im Diamantkristall
- Quantifizierung essentieller Quanteneigenschaften von NV-basierten Qubits unter Berücksichtigung realer Materialumgebungseigenschaften
- Definition von materialeigenschaftspezifischen Parameterbereichen, in dem Quanteneigenschaften von aus NV-Zentren aufgebauten Registern zunehmender Größe für algorithmische Zwecke nutzbar sind
- 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
- Bewertung des Einsatzpotentials von Quantumcomputing-Hardware für die Materialsimulation
Förderhinweis
Gefördert vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg
