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Universität Basel

Schritt für Schritt zum Quantencomputer

Als theoretische Physikerin entwickelt Jelena Klinovaja ständig neue Ideen und berechnet, ob sich diese in die Praxis umsetzen lassen – zum Beispiel für den Bau eines leistungsstarken Quantencomputers.

Jelena Klinovaja
Ein Forschungsschwerpunkt von Klinovaja ist die Suche nach geeigneten Systemen und Materialien für den Bau von Quantencomputern. (Bild: © Christian Flierl, Universität Basel)

Jelena Klinovaja ist in vielerlei Hinsicht eine Ausnahmeerscheinung: Sie ist nicht nur eine äusserst junge Professorin, die ihren Ruf an die Universität Basel schon mit 27 Jahren erhielt. Sie hat sich ausserdem auf die Quantentheorie der Kondensierten Materie spezialisiert – ein modernes Fachgebiet der Quantenphysik, an dessen Spitze sich bisher nur wenige Frauen etablieren konnten.

Für die gebürtige Russin ist damit ein Traum in Erfüllung gegangen, den sie schon seit der Schulzeit hegte: «An der Physik mag ich, dass sie klare, definitive Antworten auf unsere Fragen über die Welt gibt. Und wenn man etwas mag, ist man auch gut darin. So gewann sie bereits in jungen Jahren regelmässig erste Plätze in Physik- und Mathematik Olympiaden. Danach führte sie ihr Weg geradlinig über ein Studium am Moskauer Elite-Institut für Physik und Technologie zu einer preisgekrönten Doktorarbeit an der Universität Basel.  Seit 2019 ist sie Associate Professorin am Departement Physik.

Arbeit am Schreibtisch statt im Labor

Als theoretische Quantenphysikerin fällt es ihr nicht immer leicht, zu erklären, worin ihre Arbeit besteht – denn sie steht nicht im Labor und macht keine eigenen Experimente. Stattdessen führt sie komplexe Berechnungen auf Papier und Simulationen am Computer durch. Die so entwickelten theoretischen Modelle und Vorhersagen weisen ihren Kollegen*innen aus der Experimentalphysik den Weg und helfen ihnen bei der Planung von Versuchsreihen und der Interpretation von Messdaten.

Neben dem exzellenten Umfeld ist diese enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Praxis einer der grossen Pluspunkte der Universität Basel, sagt Klinovaja: «Viele theoretische Physiker haben keine Möglichkeit zu einem direkten Austausch mit Experimentalphysikern. Hier muss ich nur ein Stockwerk hinuntergehen, wenn ich einen Kollegen etwas fragen will. Dies gibt uns einen klaren Wettbewerbsvorteil gegenüber der Konkurrenz und ausserdem macht die Arbeit so mehr Spass.» Dies hat sicher dazu beigetragen, dass die Universität Basel Leading House des Nationalen Forschungsschwerpunkts SPIN: Spin-Qubits in Silizium ist, der die Grundlagen für eine aussergewöhnlich gut skalierbare Technologie zum Bau eines universell einsetzbaren Quantencomputers schaffen will. Klinovaja ist Teil des vierköpfigen Direktoriums.

Längere Lebensdauer für Qubits

Ein Forschungsschwerpunkt von Klinovaja ist die Suche nach geeigneten Systemen und Materialien für den Bau von Quantencomputern – hierfür erhielt sie im Jahr 2017 einen ERC Starting Grant. Quantencomputer funktionieren in einem gewissen Sinn ähnlich wie herkömmliche Computer, beruhen aber auf einem anderen Prinzip: Statt der herkömmlichen Bits, die magnetisch oder elektronisch erzeugt werden, dienen im Quantencomputer Objekte aus der Quantenphysik als kleinste Speichereinheit – die sogenannten Qubits. Für gewisse Anwendungen könnten Quantencomputer zu einer enormen Beschleunigung in der Datenverarbeitung führen. Dies könnte zum Beispiel bei der Entwicklung von neuen Medikamenten zu Durchbrüchen führen oder zur Lösung des CO2-Problems im Klimawandel beitragen. «Aber bis jetzt gibt es nur kleine Prototypen, die zeigen, dass das Prinzip funktioniert», so Klinovaja.

Eines der grössten Probleme ist, dass die im Moment verwendeten Qubits empfindlich auf äussere Einflüsse reagieren und deshalb nicht lange genug stabil sind. «Bis jetzt halten sie ihren Zustand nur weniger als eine Millionstel Sekunde», sagt Klinovaja. «Ich arbeite daran, diese Zeitspanne auf Sekunden oder sogar Minuten zu verlängern.» Für das ERC-Projekt verfolgt sie hierfür einen relativ neuen und vielversprechenden Ansatz: Sie untersucht das Potenzial von sogenannten topologischen Isolatoren. Dies sind neuartige Halbleiter, etwa aus Carbon, mit deren Hilfe sich künstlich Teilchen erzeugen lassen, die als stabile Qubits dienen könnten.

Jelena Klinovaja
Jelena Klinovaja mit Ilaria Zardo, Initiantinnen eines Frauennetzwerks in der Physik, (Bild: © Christian Flierl, Universität Basel)


Erfolg durch immer neue Ideen

Obwohl weltweit nur eine Handvoll an Arbeitsgruppen an diesem Thema arbeitet, ist der Konkurrenzdruck sehr hoch. Dies ist für Klinovaja eine Motivation, ihre Arbeit schnell voranzutreiben: «Wenn ich eine gute Idee habe, muss ich mich nur an meinen Laptop setzen und manchmal kann ich das Resultat dann schon nach einem Monat an ein Fachjournal schicken.»

Solche Erfolgserlebnisse sind für Klinovaja das Schönste an ihrer Arbeit: «Es ist, wie wenn man ein Puzzle macht und auf einmal passen alle Teile zusammen.» Dieses Gefühl wünscht sie auch anderen Frauen – doch leider sind diese in der Physik immer noch untervertreten. Deshalb hat sie gemeinsam mit der zweiten Basler Physik-Professorin, Ilaria Zardo, ein Netzwerk für Physikerinnen gegründet, das unter anderem an Schulen um weiblichen Nachwuchs für ihr zukunftsträchtiges Forschungsfeld wirbt.

Stabile Qubits für Quantencomputer

Im Jahr 2017 erhielt Jelena Klinovaja einen prestigeträchtigen ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats. Dieser unterstützt ihre theoretischen Untersuchungen zu topologischen Isolatoren und exotischen Teilchen über fünf Jahre mit rund 1.2 Millionen Euro. Ein Ziel ihrer Forschung ist es, durch innovative Ansätze neue Bausteine für einen praktisch einsetzbaren Quantencomputer zu entwickeln.

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