Menores requisitos de refrigeración, tiempos de funcionamiento más largos, menores tasas de error: los ordenadores cuánticos basados en fotones de espín y diamantes prometen ventajas significativas sobre las tecnologías de computación cuántica competidoras. El consorcio del proyecto SPINNING del BMBF, coordinado por el Fraunhofer IAF, ha conseguido avances decisivos en el desarrollo de ordenadores cuánticos basados en fotones de espín. Los días 22 y 23 de octubre de 2024, los socios presentaron los resultados del proyecto provisional en la reunión intermedia de la medida de financiación del BMBF para la instalación de demostración de ordenadores cuánticos en Berlín.
Resolver problemas complejos en segundos que incluso a las supercomputadoras modernas les llevarían décadas: esa es la promesa de las computadoras cuánticas. Pero por muy claro que sea el objetivo, el camino aún no está claro. Porque todavía existen varios enfoques en competencia para hacer realidad computadoras cuánticas. Y cada uno tiene ventajas y desventajas específicas en términos de hardware y software, desde confiabilidad y consumo de energía hasta compatibilidad con sistemas convencionales.
Un consorcio de 28 socios, formado por el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido (IAF), está trabajando en el proyecto “Spinning – Diamond Spin-Photon-Based Quantum Computer” para desarrollar un ordenador cuántico basado en fotones de espín y diamantes. Debería caracterizarse por menores requisitos de refrigeración, tiempos de funcionamiento más prolongados y menores tasas de error que otros métodos de computación cuántica. El concepto híbrido de computadoras cuánticas basadas en fotones de espín también proporciona una mayor escalabilidad y conectividad, lo que permite conexiones flexibles a computadoras convencionales.
Qubits a través del centro de color del diamante
“Con el proyecto Spinning queremos hacer una importante contribución al ecosistema de la tecnología cuántica alemana. Para ello, utilizamos las propiedades materiales del diamante para desarrollar una tecnología de computación cuántica que puede ser tan potente como otras tecnologías, pero que entre sus Las debilidades específicas son el nitrógeno (NV), el silicio y el nitrógeno (SiNV). Creamos qubits utilizando centros de color en la red de diamantes atrapando un electrón en uno de los cuatro defectos de la red creados artificialmente con espines de germanio (GeV) o estaño (SnV). a través de interacciones magnéticas con cinco espines nucleares 13C es el isótopo de carbono. El espín central del electrón puede utilizarse entonces como qubit direccionable”, explica el Prof. Dr. Rüdiger Koe, coordinador de la Spinning Network y director del Instituto Fraunhofer IAF.
“Los qubits individuales forman una estructura matricial, el registro de qubits. Los ordenadores cuánticos giratorios tendrán al menos dos, y luego hasta cuatro, de estas partículas, acopladas ópticamente a distancias de hasta 20 metros, por ejemplo, de modo que se pueda realizar un amplio intercambio de información puede ocurrir”, dijo Quay. continuó El acoplamiento óptico entre el espín central del electrón y la resistencia se realiza mediante un enrutador óptico en combinación con una fuente de luz y un detector para lectura. Los estados individuales del espín nuclear están controlados por pulsos de alta frecuencia.
Resultado del proyecto: demostración de registros de qubit entrelazados de alta fidelidad
Con motivo de la reunión intermedia de la medida de financiación Quantum Computer Demonstration Setup del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), en virtud de la cual se financia SPINNING, el consorcio presentó los resultados del proyecto provisional los días 22 y 23 de octubre. 2024, en Berlín, donde lograron un éxito significativo. Por primera vez, el equipo del proyecto demostró con éxito la captura de dos registros de seis qubits cada uno a una distancia de 20 metros y logró una fidelidad media elevada (en el sentido de similitud de los estados implicados).
Otros éxitos del proyecto incluyen mejoras significativas en el hardware y el software central, así como en los periféricos de los ordenadores cuánticos basados en fotones de espín: se puede mejorar el material básico y su procesamiento, así como la comprensión de los centros de color de los diamantes para la generación de qubits. así como tecnología de resonador fotónico. Esto se basó en una mejor comprensión de los cuatro tipos de defectos en las redes de diamantes y la mitigación de defectos de los qubits basados en diamantes. El consorcio logró desarrollar la electrónica necesaria para operar ordenadores cuánticos y demostró las primeras aplicaciones de los ordenadores cuánticos para la inteligencia artificial.
Ventajas sobre las computadoras cuánticas SSJ
Una comparación ejemplar de los resultados provisionales con los indicadores clave de los ordenadores cuánticos basados en uniones Josephson superconductoras (SJJ) subraya el valor del trabajo realizado en el proyecto, ya que hasta la fecha se han invertido en estos últimos muchas veces más recursos en todo el mundo. Desarrollo Con una tasa de error <0,5%, las computadoras cuánticas basadas en fotones de espín logran hasta la fecha los mismos resultados que los destacados modelos SJJ Eagle (127 qubits) y Heron (154 qubits) en una puerta de un qubit que consta de doce qubits.
En términos de tiempos de coherencia, la computadora cuántica basada en fotones de espín supera claramente a los modelos SSJ (> 50 µs) en longitudes superiores a 10 ms, aunque la distancia de captura es muchas veces mayor a 20 m que a unos pocos milímetros.
Perspectivas: Desafíos en el diseño de resonadores y el desarrollo de software
Los desafíos técnicos pendientes hasta el final del proyecto incluyen un mayor desarrollo del diseño del resonador hacia una reproducibilidad mejorada y una alineación más precisa. Por otro lado, los investigadores están trabajando para mejorar el software que controle automáticamente el enrutamiento de las computadoras cuánticas basadas en fotones de espín.
Acerca del proyecto Spinning
SPINNING recibe financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) con la medida de financiación para la instalación de demostración de ordenadores cuánticos en el marco del programa del Gobierno Federal Tecnologías Cuánticas – De lo fundamental al mercado. Fraunhofer IAF lidera un consorcio integrado por seis universidades, dos institutos de investigación sin fines de lucro, cinco empresas industriales (PYME y spin-offs) y 14 socios relacionados.
- Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF (Coordinador)
- Instituto Fraunhofer de Sistemas Integrados y Tecnología de Dispositivos IISB
- Centro de investigación Jülich GmbH
- Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT)
- Universidad de Constanza
- Universidad de Heidelberg
- Universidad Técnica de Munich
- Universidad de Ulma
- Diamond Materials GmbH, Friburgo de Brisgovia
- Envision Imaging Technologies GmbH, Ulm
- Kinu GmbH, Karlsruhe
- Universidad de Stuttgart
- Quantum Brilliance GmbH, Stuttgart
- Suabian Instruments GmbH, Stuttgart
- 14 socios asociados de la ciencia y la industria
Conozca más sobre los socios y sus contribuciones al proyecto: