Fujitsu hat einen bedeutenden Meilenstein auf dem Weg zum praxistauglichen Quantencomputing erreicht: Der japanische Technologiekonzern präsentiert den nach eigenen Angaben weltweit ersten funktionsfähigen Prototypen eines Diamant-Spin-Quantencomputers, der auf photonischen integrierten Schaltungen mit Zinn-Fehlstellenzentren (SnV-Zentren) basiert. Diese Kombination markiert einen entscheidenden Schritt hin zu skalierbaren, modularen Systemen, die nicht mehr auf extreme Kühlung angewiesen sind.
Die Kerntechnologie des Prototyps, der bei relativ milden -271,6 Grad Celsius arbeitet – im Vergleich zu -273,13 Grad bei supraleitenden Systemen –, könnte die praktische Anwendung der Quantencomputer signifikant beschleunigen. Fujitsu zeigt damit, dass der Diamant-Spin-Ansatz nicht nur theoretisch vielversprechend ist, sondern auch in einer realen Umgebung gesteuert werden kann.
Drei Schlüsseltechnologien für den Durchbruch bei Diamant-Spin-Quantencomputern
Um den Prototyp zu realisieren, entwickelte Fujitsu in Zusammenarbeit mit der Delft University of Technology und QuTech drei fundamentale Technologien, die das Herzstück des Systems bilden.
Heterogenes Bonden und Dünnen der Diamantsubstrate
Das Herz des Chips sind zinn-ionenimplantierte Diamantsubstrate, die mit Aluminiumoxid- und Siliziumdioxid-Substraten verbunden werden. Eine spezielle Dünnungstechnik reduziert die Dicke der Diamantschicht von mehreren hundert Mikrometern auf nur noch wenige hundert Nanometer. Erst diese extreme Miniaturisierung macht die Substrate für den Einsatz in skalierbaren Quantencomputer-Chips geeignet und erlaubt eine effiziente optische Anbindung.
Photonische Schaltungen mit Nanometer-Präzision
Das Unternehmen entwickelte eine Fertigungstechnologie für photonische integrierte Schaltungen. In diese werden die Diamantkristalle mit SnV-Zentren in optische Wellenleiter aus Aluminiumoxid integriert. Diese Wellenleiter sind im sichtbaren Spektralbereich transparent. Die emittierten einzelnen Photonen der SnV-Zentren werden beim Auslesen der Qubits effizient extrahiert. Fujitsu nutzte für die Bearbeitung des Diamanten kritische Ergebnisse aus der gemeinsamen Forschung mit der University of Tokyo.
Steuerung komplexer Quantenschaltkreise
Der Diamant-Spin-Ansatz nutzt eine Kombination aus Licht, Mikrowellen und Hochfrequenzwellen, um die Qubits zu steuern. Dafür entwickelte Fujitsu einen Mechanismus, der die abstrakten Quantengatter eines Quantenschaltkreises in konkrete Steuersequenzen für diese physikalischen Operationen übersetz. Die Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform dient dann als zentrale Steuereinheit, die das gesamte System orchestriert.
Warum der Diamant-Spin-Ansatz so vielversprechend ist
Die Besonderheit liegt in der Physik des Diamanten selbst. Der Diamant-Spin-Ansatz nutzt Gitterdefektstrukturen – sogenannte Farbzentren – als stabile, natürliche Qubits. Im Gegensatz zu supraleitenden Qubits benötigen sie weniger Fehlerkorrektur, da Diamant intrinsisch eine hohe Fidelity der Quantenzustände bietet. Dies ermöglicht, dass aus weniger physischen Qubits ein verlässliches logisches Qubits gebildet wird.
Ein weiterer entscheidender Vorteil für die Skalierung: Licht kann mehrere solcher Quantenmodule flexibel miteinander koppeln. Das erlaubt eine modulare Architektur, bei der separate Chips oder sogar Kryostaten dasselbe System stabil bilden – ein Problem, bei dem der supraleitender Ansatz an physikalische und thermische Grenzen stößt.
Was sind SnV-Zentren und warum setzt Fujitsu auf sie?
Anstelle der üblichen Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentrum) setzt der Prototyp auf Zinn-Fehlstellenzellen (SnV). Ihre symmetrischere Struktur macht sie gemäß Forschung von Fujitsu und Delft University of Technology deutlich widerstandsfähiger gegen externe Störeinflüsse. Zinn-Zentrum eignen sich so besser für stabile Farbzentren mit einer höheren Helligkeit, was beim Auslesen der Qubits und bei der photonischen Kopplung von Quantenmodulen ein Vorteil ist.
Wie funktioniert der quantenlogische Gatterbetrieb bei dieser Architektur?
Ein konkreter Nachweis gelang bereits mit Stickstoff-Zentren: In einem Experiment der Delft University of Technology und Fujitsu wurde ein Zwei-Qubit-Gatter mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit von unter 0,1 Prozent realisiert (Phys. Rev. Applied 23, 034052). Ein gemischtes Forschungsteam hat zudem Verschränkung über räumlich getrennte NV-Zentren in getrennten Kryostaten nachgewiesen (Nat Commun 17, 4694, 2026). Diese Resultate sind die wissenschaftliche Basis für die Integration der fehlerresistenteren SnV-Zentren in den neuen Prototy.
Roadmap: Der Weg zum multimodularen Quantencomputer
Der nun vorgestellte Prototyp ist kein Endpunkt. Fujitsu plant bereits den nächsten Schritt: Bis 2027 soll ein funktionsfähiger Prototyp einer **multimodularen** Architektur auf Basis der Diamant-Spin Technologie entstehen.
Noch entscheidender für die langfristig hybride Zukunft des Quantum Computing: Fujitsu beginnt parallel die Entwicklung einer Schnittstelle, die den Diamant-Spin Ansatz mit den heute verbreiteten, supraleitenden Systemen integriert. Dieser hybride Pfad folgt der eigens formulierten Quantencomputing-Roadmap des Konzerns, die bis 2030 praxistaugliches Quantum Computing mit der Leistungsfähigkeit beider Welten zum Ziel hat.
Aufgrund seiner koreanischen Argumentation – hohe Fidelity, Raumtemperaturtauglich (im relativen Kryobereich) und optische Skalierbarkeit – positioniert sich der Diamant-Spin-Ansatz deutlich vor der rein technischen Machbarkeit der kommerziellen Feasibility. Im Kampf um die effizienteste Architektur für die Million Qubits könnte dieser Prototyp als technologischer Musterprozess für die nächste Dekade dienen.
