Dominik Zumbühl sagt von sich selbst, er sei ein von Physik faszinierter Mensch, angetrieben vom Drang, die Natur zu entdecken und zu verstehen: «Ich wollte schon als Kind wissen, wie elektronische Geräte, vor allem Computer, funktionieren», erzählt er. Im Gymnasium habe ihn ein Physiklehrer besonders gefördert – und mit Computern kannte er sich so gut aus, dass er bereits als Schüler als Aushilfslehrer tätig war und so sein Taschengeld aufbesserte.

Experimente bei Tiefsttemperaturen

Nach seinem Studium an der ETH Zürich hat Dominik Zumbühl mehrere Jahre in den USA gelebt und dort an den Universitäten Stanford und Harvard sein seinen PhD erlangt. Als Assistenzprofessor am Departement Physik der Universität Basel ist er 2006 in die Schweiz zurückgekehrt. Hier hat er das Quantum Coherence Labor aufgebaut, das heute Tieftemperatur-Elektronikexperimente zur Untersuchung der Quantenphysik in Halbleiter-Nanostrukturen erforscht.

Seit 2012 ist Dominik Zumbühl Professor für Experimentalphysik, seit 2021 auch Direktor des NCCR SPIN, einem nationalen und vom Schweizerischen Nationalfonds finanzierten Forschungsschwerpunkt. Ziel des NCCR SPIN ist die Entwicklung von stabilen und skalierbaren Qubits, kleinsten Recheneinheiten, die sich zu Tausenden und Millionen miteinander verschalten lassen und die Grundlage eines Quantencomputers bilden. Mit seinem Team arbeitet er daran, die die einzelnen Quantenbits, kurz Qubits zu bauen.

Wie das geht? «Jedes Elektron hat neben seiner Masse und seiner elektrischen Ladung ein kleines Magnetfeld», erklärt Dominik Zumbühl. «Dieses Magnetfeld oder ‘Spin’ kann man sich vorstellen wie einen Pfeil, der in eine beliebige Richtung im Raum zeigen kann. Zeigt der Pfeil nach oben, entspricht das einer logischen 1, zeigt er nach unten, entspricht es einer 0. Das konventionelle Bit kann aber nur 1 oder 0 sein», erklärt er weiter. Dank den Gesetzen der Quantenphysik kann der Spin jedoch nicht nur nach oben oder unten, sondern in eine beliebige andere Richtung im Raum zeigen. Dadurch kann ein Qubit als grundlegende Informationseinheit des Quantencomputers eine wesentlich grössere Informationsmenge speichern als ein Bit der heutigen Computer, das nach den Gesetzen der klassischen Physik funktioniert und nur zwei mögliche Positionen hat.

Empfindliche Qubits

Im Vergleich zu konventionellen Bits sind Quantenbits (Qubits) viel anfälliger auf Störungen und können ihren Informationsgehalt sehr schnell verlieren. Das Rechnen mit Quanten steht deshalb vor der Schwierigkeit, die empfindlichen Qubits über längere Zeit stabil zu halten und gleichzeitig Wege zu finden, um schnelle Quantenoperationen durchführen zu können.

Im Jahr 2021 ist es der Forschungsgruppe Zumbühl zusammen mit Forscher*innen der TU Eindhoven  gelungen, ein neuartiges Qubit zu realisieren. Dieses Qubit verfügt über einen stabilen, aber langsamen Zustand, der für die Speicherung der Quanteninformation geeignet ist. Über die elektrische Spannung konnten die Forscher das Qubit aber in einen viel schnelleren, dafür weniger stabilen Manipulationsmodus schalten. In diesem Zustand lassen sich mit den Qubits Informationen zügig verarbeiten.

«Der Spin lässt sich in nur einer Nanosekunde kohärent von oben nach unten drehen», sagt Dominik Zumbühl. «Das würde fast eine Milliarde Schaltungen in einer Sekunde erlauben. Damit nähert sich die Spin-Qubit-Technologie den Taktraten der heutigen konventionellen Computer.»

Die Spins in Halbleiter-Nanostrukturen unter Kontrolle zu bringen ist der Kern der aktuellen Forschung. Das Konzept geht zurück auf eine Arbeit von 1998 von David DiVincenzo (Forschungszentrum Jülich) und Daniel Loss, welcher auch an der Uni Basel tätig ist.

Mit Teamwork in eine vielversprechende Zukunft

Ein Quantencomputer wird Berechnungen, die mit heutigen Computern tausende von Jahren dauern würden, in Minuten schaffen. Schon heute ist klar, wo ein Quantencomputer in Zukunft zum Einsatz kommen könnte: Seine Rechenleistung kann ebenso komplexe Logistikprobleme lösen und optimale Routen und Abläufe berechnen, wie er in der medizinischen Forschung die Suche nach neuen Wirkstoffen beschleunigen kann. «Wir haben die Chance, die Grundlagen für ein neues Silicon Valley zu legen», ist Dominik Zumbühl überzeugt.

Noch steht die Forschung am Anfang: «Zwar haben wir erste Qubits hergestellt, doch es gilt, in viele Richtungen weiterzudenken, die Spins auszureizen, zu verfeinern und die Physik dieser Strukturen immer besser zu verstehen.»

Seinen Beruf sieht Dominik Zumbühl als Teamsport: «Forschung mache ich nicht allein», stellt er fest. «Ich selbst bin von Physik fasziniert und möchte auch meine Studierenden mit dem Physik-Virus infizieren. Die Faszination, neue Phänomene zu untersuchen, ist packend und hält dich am Ball, auch wenn es mal schwierig wird». Diese Faszination vermittelt er nicht nur im Hörsaal, sondern auch im Labor, an Schulen oder auch mal im Theater – damit auch in Zukunft genügend Forscherinnen und Forscher da sind, um gemeinsam das Ziel eines Quantencomputers zu erreichen.