Projekt SPINNING, kierowany przez Instytut Fraunhofera, jest pionierem w dziedzinie komputera kwantowego wykorzystującego fotony spinowe na bazie diamentu, co zapewnia niższe wymagania dotyczące chłodzenia, dłuższe czasy działania i niższe poziomy błędów w porównaniu z konwencjonalnymi systemami kwantowymi.
To innowacyjne podejście wykorzystuje unikalne właściwości diamentów do tworzenia stabilnych kubitów, mając na celu wysoką skalowalność i wierność obliczenia kwantowe. Do ostatnich osiągnięć należy pomyślna demonstracja splątania kubitów na duże odległości, znacznie przewyższająca tradycyjne komputery kwantowe pod względem współczynnika błędów i czasu koherencji.
Projekt SPINNING: Innowacja dzięki technologii opartej na diamentach
Komputery kwantowe obiecują rozwiązać złożone problemy w ciągu kilku sekund, a wykonanie zadań, których wykonanie nowoczesnym superkomputerom zajęłoby dziesięciolecia. Chociaż cel osiągnięcia tej zdolności jest jasny, ścieżka pozostaje niepewna ze względu na wiele konkurencyjnych podejść do budowania systemów kwantowych. Każde podejście ma swoje mocne strony i ograniczenia w obszarach takich jak niezawodność sprzętu, efektywność energetyczna i kompatybilność z istniejącą technologią.
Konsorcjum składające się z 28 partnerów, koordynowane przez Instytut Stosowanej Fizyki Ciała Stałego IAF im. Fraunhofera, opracowuje unikalny komputer kwantowy w ramach projektu „SPINNING — komputer kwantowy oparty na spinach i fotonach diamentu”. Oczekuje się, że ten oparty na diamentach model spinowo-fotonowy będzie wymagał mniejszego chłodzenia, działał dłużej i miał niższy poziom błędów niż inne technologie obliczeń kwantowych. Jego hybrydowa konstrukcja zwiększa również skalowalność i łączność, umożliwiając bardziej elastyczną integrację z tradycyjnymi systemami komputerowymi.
Tworzenie kubitów ze środkami koloru diamentu
„W projekcie SPINNING chcemy wnieść istotny wkład w niemiecki ekosystem technologii kwantowej. W tym celu wykorzystujemy właściwości materialne diamentu do opracowania technologii obliczeń kwantowych, która może być równie potężna jak inne technologie, ale nie ma żadnych specyficznych słabości. Kubity tworzymy wykorzystując centra kolorów w siatce diamentu, zatrzymując elektron w jednym z czterech sztucznie utworzonych defektów sieci (centra wakancji) domieszkowanych azotem (NV), krzemem i azotem (SiNV), germanem (GeV) lub cyną (SnV). Spin elektronu łączy się poprzez oddziaływanie magnetyczne z pięcioma spinami jądrowymi sąsiednich 13Izotopy węgla C. Centralny spin elektronu można następnie wykorzystać jako adresowalny kubit” – wyjaśnia prof. dr Rüdiger Quay, koordynator sieci SPINNING i dyrektor instytutu w Fraunhofer IAF.
„Poszczególne kubity tworzą strukturę macierzową, rejestr kubitów. Komputer kwantowy SPINNING będzie się składał z co najmniej dwóch, a później aż czterech takich rejestrów, które z kolei będą sprzężone optycznie na duże odległości np. 20 m, tak aby mogła nastąpić wszechstronna wymiana informacji – kontynuuje Quay. . Sprzężenie optyczne pomiędzy centralnymi spinami i rejestrami elektronów realizowane jest za pomocą routera optycznego w połączeniu ze źródłem światła i detektorem do odczytu. Poszczególne stany spinów jądrowych sterowane są impulsami o wysokiej częstotliwości.
Kamienie milowe projektu i osiągnięcia technologiczne
Przy okazji średniookresowego spotkania w sprawie finansowania działania Quantum Computer Demonstration Setup Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych (BMBF), w ramach którego finansowany jest SPINNING, konsorcjum zaprezentowało tymczasowe wyniki projektu w dniach 22 i 23 października 2024 r., w Berlinie. Charakteryzują się niezwykłymi sukcesami. Po raz pierwszy zespołowi projektowemu udało się zademonstrować splątanie dwóch rejestrów po sześć kubitów każdy na odległości 20 m i osiągnąć wysoką średnią wierność (w sensie podobieństwa stanów splątanych).
Dalsze sukcesy projektu obejmują znaczące ulepszenia centralnego sprzętu i oprogramowania, a także urządzeń peryferyjnych dla komputera kwantowego wykorzystującego fotony spinowe: Można ulepszyć podstawowy materiał i jego przetwarzanie, czyli realizację centrów kolorów w diamencie do generowania kubitów a także technologię rezonatorów fotonicznych. Podstawą tego było lepsze zrozumienie czterech typów defektów w siatce diamentu i ograniczanie błędów kubitów opartych na diamentach. Konsorcjum udało się także opracować elektronikę niezbędną do obsługi komputera kwantowego i zademonstrować pierwsze zastosowania komputera kwantowego do celów sztuczna inteligencja.
Porównanie obliczeń kwantowych opartych na diamentach z metodami konwencjonalnymi
Przykładowe porównanie tymczasowych wyników projektu SPINNING z kluczowymi wskaźnikami komputerów kwantowych opartych na nadprzewodzących złączach Josephsona (SJJ) podkreśla wartość pracy wykonanej w ramach projektu, ponieważ do tej pory na całym świecie zainwestowano wielokrotnie więcej środków w ten ostatni rozwój. Przy poziomie błędu <0,5% komputer kwantowy oparty na fotonach spinowych, składający się jak dotąd z dwunastu kubitów, osiąga ten sam wynik w bramce jednokubitowej, co czołowe modele SJJ Eagle (127 kubitów) i Heron (154 kubity).
Pod względem czasu koherencji komputer kwantowy wykorzystujący spin-fotony o długości ponad 10 ms wyraźnie przewyższa modele SSJ (> 50 µs), choć odległość do splątania jest wielokrotnie większa przy 20 m w porównaniu do kilku milimetrów.
Przyszłe kierunki i bieżące wyzwania
Wyzwania techniczne pozostałe do zakończenia projektu obejmują dalszy rozwój konstrukcji rezonatora w kierunku poprawy odtwarzalności i dokładniejszego ustawienia. Z drugiej strony badacze pracują nad dalszym udoskonalaniem oprogramowania do automatycznego sterowania routingiem komputera kwantowego wykorzystującego fotony spinowe.
O projekcie SPINNING
SPINNING jest finansowany przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań BMBF w ramach działania Quantum Computer Demonstration Setups w ramach programu ramowego rządu federalnego w zakresie technologii kwantowych — od podstaw do rynku. Fraunhofer IAF przewodzi konsorcjum SPINNING składającemu się z sześciu uniwersytetów, dwóch instytucji badawczych non-profit, pięciu przedsiębiorstw przemysłowych (MŚP i firm typu spin-off) oraz 14 partnerów stowarzyszonych.
- Instytut Fraunhofera ds. Stosowanej Fizyki Ciała Stałego IAF (koordynator)
- Instytut Fraunhofera ds. Systemów Zintegrowanych i Technologii Urządzeń IISB
- Centrum badawcze Jülich GmbH
- Instytut Technologii w Karlsruhe (KIT)
- Uniwersytet w Konstancji
- Uniwersytet w Heidelbergu
- Uniwersytet Techniczny w Monachium
- Uniwersytet w Ulm
- Diamond Materials GmbH, Fryburg Bryzgowijski
- NVision Imaging Technologies GmbH, Ulm
- Qinu GmbH, Karlsruhe
- Uniwersytet w Stuttgarcie
- Quantum Brilliance GmbH, Stuttgart
- Swabian Instruments GmbH, Stuttgart
- 14 partnerów stowarzyszonych ze świata nauki i przemysłu
