Fujitsu zeigt Diamant-Spin-Quantencomputer

Quantencomputer haben hohe Erwartungen an neue Rechenverfahren geweckt. Ihr Einsatz wird bislang durch Fehleranfälligkeit und Skalierung begrenzt. Fujitsu setzt mit Diamant-Spin-Qubits auf einen modularen Ansatz.

Was ist ein Diamant-Spin-Quantencomputer?

Ein Diamant-Spin-Quantencomputer nutzt Elektronen- und Kernspins in gezielt erzeugten Defektzentren eines Diamanten als Qubits. Diese Defekte werden auch als Farbzentren bezeichnet. Fujitsu hat dafür einen Prototyp entwickelt, der Tin-Vacancy-Zentren (SnV-Zentren) in photonische integrierte Schaltungen einbindet. Nach Angaben des Unternehmens handelt es sich um den weltweit ersten funktionsfähigen Diamant-Spin-Quantencomputer dieser Art.

Das System arbeitet bei -271,6 Grad Celsius beziehungsweise rund 1,55 Kelvin. Zum Vergleich nennt Fujitsu für supraleitende Quantencomputer eine typische Betriebstemperatur von -273,13 Grad Celsius. Nichtsdestotrotz erfordert das System weiterhin aufwendige Kryotechnik.

Der Prototyp lässt sich außerdem über die Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform ansteuern. In einer Testumgebung sei dafür kein zusätzliches Spezialwissen zur physikalischen Steuerung des Diamant-Spin-Systems erforderlich gewesen. Grundlage der Entwicklung ist eine seit 2020 laufende Zusammenarbeit von Fujitsu, der Delft University of Technology und QuTech.

Was sind SnV-Zentren im Diamant?

Ein SnV-Zentrum, ausgeschrieben Tin-Vacancy-Zentrum oder Zinn-Fehlstellenzentrum, ist ein gezielt erzeugter Defekt im Kristallgitter eines Diamanten. „Sn“ ist das chemische Symbol für Zinn im Periodensystem der Elemente. Dabei befindet sich ein Zinnatom zwischen zwei benachbarten Stellen, an denen Kohlenstoffatome fehlen. Die Struktur gehört zur Gruppe der sogenannten Farbzentren. Solche Gitterdefekte verändern die elektronischen Eigenschaften des Diamanten. Dadurch entstehen Zustände, die sich mit Licht sowie elektromagnetischen Feldern beeinflussen und auslesen lassen. Der Spin eines Elektrons kann dabei als Qubit genutzt werden.

Für die geplante Skalierung ist außerdem die Wechselwirkung mit Licht relevant. Beim Auslesen kann ein SnV-Zentrum Photonen aussenden. Diese Lichtteilchen lassen sich über optische Wellenleiter weiterführen und damit zur Verbindung räumlich getrennter Qubits oder Quantenmodule einsetzen. Fujitsu gibt an, dass die verwendeten SnV-Zentren weniger empfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen seien als konventionelle NV-Zentren (Nitrogen-Vacancy-Zentren) und ungefähr zehnmal heller emittierten. Die stärkere Lichtemission soll die Effizienz optischer Verbindungen erhöhen.

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Welche Aufgaben haben Elektronen- und Kernspin-Qubits?

Ein Diamant-Spin-Modul kombiniert zwei Arten von Qubits: Elektronenspin-Qubits und Kernspin-Qubits. Dabei bilden die Elektronenspin-Qubits die optische Schnittstelle. Sie können über ausgesendete Photonen mit anderen Qubits oder Quantenmodulen verbunden werden. Eine photonische Verbindung bezeichnet dabei die Übertragung beziehungsweise Kopplung von Quanteninformation mithilfe von Licht.

Die Kernspin-Qubits übernehmen hingegen eine andere Aufgabe. Ihre Quantenzustände können über längere Zeit erhalten bleiben. Fujitsu ordnet ihnen deshalb innerhalb eines Quantenmoduls eine Funktion zu, die mit einem Speicher für Quanteninformation vergleichbar ist.

Wie soll die optische Verbindung die Skalierung erleichtern?

Eine zentrale Herausforderung beim Bau größerer Quantencomputer ist erstmal nicht allein die Zahl der Qubits. Denn mit zunehmender Größe müssen auch Steuerleitungen, Kühlung und Verbindungen zwischen den Qubits skaliert werden. Bei supraleitenden Quantencomputern müssen elektrische Leitungen bis in den stark gekühlten Bereich des Kryostaten geführt werden. Mit wachsender Qubit-Zahl nimmt damit auch der Aufwand für Verkabelung und Kühlung zu. Der Diamant-Spin-Ansatz verfolgt dagegen ein anderes Prinzip. Einzelne Quantenmodule sollen bereits von Beginn an für optische Verbindungen ausgelegt werden. Elektronenspin-Qubits können Photonen aussenden, über die sich auch räumlich getrennte Module koppeln lassen. Eine solche Verbindung lässt sich grundsätzlich auch zwischen getrennten Chips oder Kryostaten herstellen. Dadurch soll ein größerer Quantencomputer nicht ausschließlich durch immer mehr Qubits innerhalb eines einzelnen Prozessors entstehen, sondern durch die Verbindung mehrerer Module. Ob dieses Prinzip in der für große Quantencomputer erforderlichen Größenordnung umgesetzt werden kann, ist allerdings noch nicht nachgewiesen.

Wie unterscheidet sich Diamant-Spin von supraleitenden Quantencomputern?

Beide Ansätze verwenden Qubits, unterscheiden sich jedoch bei deren physikalischer Realisierung und bei der geplanten Skalierung.

Fujitsu verfolgt beide Ansätze parallel. Bei supraleitenden Quantencomputern ist die Entwicklung derzeit weiter fortgeschritten. Diamant-Spin-Systeme untersucht das Unternehmen dagegen insbesondere mit Blick auf eine spätere modulare Skalierung über optische Verbindungen.

Welche Technologien stecken im Prototyp?

Für den Aufbau des Diamant-Spin-Quantencomputers nennt Fujitsu drei technische Entwicklungen.

• Die erste betrifft das heterogene Bonden und Dünnen der verwendeten Materialien. Dabei werden zinn-ionenimplantierte Diamantsubstrate mit Substraten aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid verbunden. Anschließend wird der mehrere hundert Mikrometer dicke Diamant auf eine Dicke von mehreren hundert Nanometern reduziert.

• Die zweite Entwicklung betrifft die photonische integrierte Schaltung. Dabei werden Nanometer große Diamantstrukturen mit SnV-Zentren in optische Wellenleiter aus Aluminiumoxid integriert. Die Wellenleiter führen die beim Auslesen der Qubits erzeugten Photonen weiter.

• Die dritte Technologie betrifft die Steuerung. Diamant-Spin-Qubits werden durch eine Kombination aus Licht, Mikrowellen und Hochfrequenzwellen angesprochen. Fujitsu hat deshalb einen Mechanismus entwickelt, der durch Quantengatter beschriebene Schaltungen in entsprechende physikalische Steuersequenzen übersetzt.

Fujitsu Diamant-Spin-Quantencomputer in Bildern

Warum verwendet Fujitsu SnV statt NV?

Bei diamantbasierter Quantentechnik kommen häufig Nitrogen-Vacancy-Zentren (NV-Zentren) zum Einsatz. Dabei befindet sich ein Stickstoffatom in Verbindung mit einer Leerstelle im Kristallgitter. Fujitsu verwendet beim vorgestellten Prototyp stattdessen SnV-Zentren. Ein Grund dafür sind deren optische Eigenschaften. Nach Angaben des Unternehmens emittieren sie etwa zehnmal heller als konventionelle NV-Zentren. Dadurch sollen Photonen effizienter aus dem Farbzentrum ausgekoppelt werden können. Hinzu kommt die symmetrische Struktur der SnV-Zentren. Laut Fujitsu reagieren sie dadurch weniger empfindlich auf bestimmte äußere Störungen. Die Unterschiede sind insbesondere für ein Konzept relevant, bei dem Qubits nicht nur innerhalb eines Chips arbeiten, sondern Quanteninformation auch optisch zwischen verschiedenen Modulen übertragen werden soll.

Konkrete Leistungswerte für die SnV-Qubits nennt Fujitsu bislang nur teilweise. Eine 2026 veröffentlichte Arbeit zur photonischen Integration weist bei 216 untersuchten Strukturen eine optische Fertigungsausbeute von 82,9 Prozent sowie mehr als 100 wellenleitergekoppelte SnV-Emitter auf einem Chip aus. Angaben zu Kohärenzzeit, Spin-Lebensdauer, Photon-Extraction-Effizienz oder Gate-Fidelity des aktuellen SnV-Prototyps fehlen dagegen. Die von Fujitsu genannten Gate-Fidelities von mehr als 99,9 Prozent sowie bereits demonstrierte Verschränkung zwischen getrennten Diamant-Knoten beziehen sich auf frühere Systeme mit NV-Zentren und sind daher nicht direkt auf den SnV-Prototyp übertragbar.

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Welche Unternehmen arbeiten ebenfalls mit Diamant-Qubits?

Fujitsu ist nicht das einzige Unternehmen, das Defektzentren in synthetischem Diamant für Quantentechnik untersucht. Die verwendeten Farbzentren und die geplanten Anwendungen unterscheiden sich allerdings. Beispielsweise entwickelt Quantum Brilliance diamantbasierte Quantenprozessoren auf Grundlage von NV-Zentren. Das Unternehmen integriert dafür NV-Qubits mit elektronischen und photonischen Strukturen und verfolgt unter anderem den Einsatz kompakter Quantenprozessoren in Verbindung mit klassischen Rechnern. Auch AWS und der Diamanthersteller Element Six arbeiten mit Defektzentren in synthetischem Diamant. Im Mittelpunkt ihrer Zusammenarbeit stehen insbesondere NV- und Silicon-Vacancy-Zentren (SiV-Zentren) für Quantennetzwerke und optische Quantenschnittstellen.

Allerdings sind diese Projekte nicht unmittelbar mit Fujitsus SnV-Quantencomputer gleichzusetzen. Quantum Brilliance setzt vor allem auf NV-Zentren als Qubits für diamantbasierte Prozessoren, während AWS und Element Six NV- und SiV-Zentren insbesondere für Quantennetzwerke und optische Schnittstellen untersuchen. Fujitsu verwendet dagegen SnV-Zentren und integriert diese in photonische Schaltungen, um mehrere Rechenmodule optisch zu koppeln. Die Ansätze unterscheiden sich damit sowohl beim verwendeten Defektzentrum als auch beim Schwerpunkt der jeweiligen Systemarchitektur.

Wie könnten unterschiedliche Quantencomputer verbunden werden?

Fujitsu betrachtet die optische Verbindung nicht nur als Möglichkeit, mehrere Diamant-Spin-Module miteinander zu koppeln. Perspektivisch könnten darüber auch Quantencomputer mit unterschiedlichen Qubit-Technologien miteinander verbunden werden. Das Unternehmen nennt insbesondere die Kombination mit supraleitenden Quantencomputern. Ein Diamant-Spin-System könnte damit Teil einer heterogenen Quantencomputer-Architektur werden. In einem solchen Aufbau würden verschiedene Qubit-Technologien miteinander verbunden und könnten unterschiedliche Funktionen übernehmen. Ob sich diese Verbindung mit ausreichend niedrigen Fehlerraten und den erforderlichen Übertragungseigenschaften realisieren lässt, muss jedoch die weitere Entwicklung zeigen.

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Welche Eckdaten nennt Fujitsu für die weitere Entwicklung?

Für die nächsten Entwicklungsschritte nennt Fujitsu mehrere Zeitpunkte und Zielgrößen:

• -271,6 °C: Betriebstemperatur des aktuellen Diamant-Spin-Prototyps.

• 2027: Bis dahin soll ein funktionsfähiger multimodularer Diamant-Spin-Quantencomputer entstehen.

• 2030: Die Roadmap sieht ein System mit 250 logischen Qubits vor.

• 2035: Als weitere Zielgröße nennt Fujitsu 1.000 logische Qubits.

Parallel dazu will das Unternehmen Technologien entwickeln, mit denen sich Diamant-Spin-Systeme mit supraleitenden Quantencomputern verbinden lassen. Entscheidend für die weitere Entwicklung ist eben nicht allein die Zahl der Qubits. Für größere Diamant-Spin-Quantencomputer müssen sich SnV-Zentren in ausreichender Zahl fertigen, kontrollieren und über photonische Strukturen miteinander verbinden lassen. Hinzu kommen Anforderungen an Fehlerkorrektur, Kohärenz, Steuerung und die Verbindung mehrerer Module. Die Skalierbarkeit des Ansatzes ist deshalb bislang noch nicht nachgewiesen. Auch QuTech weist darauf hin, dass der Weg zu einem entsprechend großen System weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeit erfordert.