NFS SPIN

Das Departement Physik leitet Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) zur Entwicklung eines Quantencomputers auf Silizium-Basis.

Weltweit suchen Forschende nach geeigneten Wegen für die Entwicklung eines Quantencomputers. Zurzeit gibt es eine Reihe von Ansätzen für die Bausteine, aus denen der Superrechner der Zukunft bestehen könnte. Einen Quantencomputer zu realisieren, der bisher ungelöste Aufgaben von hoher praktischer Bedeutung bewältigen kann, stellt mit jedem Ansatz eine immens grosse Herausforderung dar. Das Hauptproblem ist die begrenzte Skalierbarkeit der bestehenden Systeme.

Hier setzt der NFS SPIN: Spin-Qubits in Silizium an. Ziel ist es, eine aussergewöhnlich gut skalierbare Technologie zu entwickeln, die den Bau eines universell verwendbaren Quantencomputers ermöglichen soll. Prof. Dr. Dominik Zumbühl und sein Team setzen dabei auf den Halbleiter Silizium, der sich seit Jahrzehnten in der Industrie bewährt hat. Sie sind überzeugt, dass die Siliziumtechnologie äusserst vielversprechend ist, um die On-Chip-Integration von Milliarden Bauelementen zu ermöglichen. Dies würde zu besonders leistungsstarken Quantencomputern führen.

Die Forscherinnen und Forscher des «SPIN» Teams arbeiten schon seit vielen Jahren mit Erfolg an Fragen des Quantencomputing mittels Spin-Qubits, bisher allerdings vorwiegend mit anderen Halbleitern. Die Herstellung der Silizium-Nanostrukturen für Qubits ist besonders anspruchsvoll und wird in Kooperation mit dem IBM Forschungslabor in Rüschlikon durchgeführt. Dieses industrielle Forschungslabor verfügt über die notwendige Expertise in der Silizium-Nanofabrikation und wird unter anderem die Herstellung von Prototypen aus Silizium-Bauelementen übernehmen.

Ziele

Zu Beginn besteht das Hauptziel des NFS «SPIN» in der Entwicklung von zuverlässig funktionierenden, schnellen, kompakten und skalierbaren Spin-Qubits in Silizium. Die Ergebnisse sollen mittelfristig erlauben, mit Spin-Qubits Rechnungen durchzuführen, die ohne einen Quantencomputer unmöglich wären. Das langfristige Ziel, für welches der NFS «SPIN» grundlegende Beiträge leisten möchte, ist ein universell einsetzbarer Quantencomputer mit mehr als eintausend logischen Qubits, die jeweils auf zahlreichen Spin-Qubits basieren und aufgrund sogenannter Quantenfehlerkorrektur fehlerfrei arbeiten.

Die Förderung eines NFS erstreckt sich über insgesamt drei Förderphasen von jeweils vier Jahren. Der Schweizerische Nationalfonds (SNF) unterstützt den NFS in der ersten Förderphase 2020 bis 2023 mit 17 Millionen Franken, in der zweiten Förderphase von 2024-2028 mit 20.4 Millionen Franken.

Das ist eine Siliziumplatte, ein sogenannter Wafer. Moderne Computerchips, wie wir sie z.B. von unseren Smartphones oder Tablet-PCs kennen, verfügen über Milliarden von Transistoren. Obgleich ein einzelner Transistor nur wenige Nanometer gross sein kann, können die industriell gefertigten Siliziumscheiben einen Umfang von bis zu 30 cm haben. Der Halbleiter Silizium verfügt über Eigenschaften, der ihn sehr attraktiv macht für Anwendungen im Bereich der Quantentechnologie. Im Rahmen Ihres NCCR Projektes «Spins in Silizium» planen Professor Warburton und sein Team klassische Silizium Halbleitertechnologie zum Bau eines Spin-Quantencomputers auszunutzen. Bild: IBM Research-Zürich.link.zoom
Zur erfolgreichen Umsetzung Ihrer ambitionierten Ziele steht den Basler Forschern IBM Research-Zürich als industrieller Partner zur Seite. IBM verfügt über eine jahrzehntelange Expertise auf dem Gebiet der industriellen Halbleiterfertigung. In den hochmodernen IBM-Reinraumanlagen in Rüschlikon sollen die ersten Prototypen der Spin-Quantenprozessoren hergestellt werden. Bild: IBM Research-Zürich.link.zoom
Um einen Silizium-Transistor als Spin-Qubit zu betreiben, wird dieser in speziellen Kühlschränken auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts abgekühlt. Bild: © Christian Flierl, Universität Basel.link.zoom
In sehr enger Analogie zur Funktionsweise eines klassischen Silizium-Transistors werden auch Spin-Qubits durch das Anlegen von sowohl nieder- als auch hochfrequenten elektrischen Signalen von aussen gesteuert bzw. ausgelesen. Bild: © Christian Flierl, Universität Basel.link.zoom
Die Experimente, die Prof. Warburton und sein Team durchführen, sind sehr komplex, zugleich aber sehr vielversprechend und soweit fortgeschritten, dass der Bau eines funktionierenden Spin-Quantencomputers als ambitioniertes, aber durchaus realistisches Ziel erscheint. Bild: © Christian Flierl, Universität Basel.link.zoom
Prof. Daniel Loss und Prof. Jelena Klinovaja sind Experten auf dem Gebiet der theoretischen Umsetzung eines Spin-basierenden Quantencomputers. Mit seiner bahnbrechenden wissenschaftlichen Arbeit hat Prof. Loss bereits vor 20 Jahren die Idee des Spin-Qubits ins Leben gerufen. Bild: © Christian Flierl, Universität Basel.link.zoom
Überblick über die beteiligten Hochschulen und den Industriepartner. Karte: hubbuchmedia.chlink.zoom

Interdisziplinäres Netzwerk

Geleitet wird der NFS «SPIN» von Prof. Dominik Zumbühl, unterstützt von Prof. Daniel Loss (Co-Direktor) sowie Dr. Heike Riel von IBM Research – Zürich (stellvertretende Direktorin) und Prof. Jelena Klinovaja (stellvertretende Co-Direktorin).

Insgesamt sind 19 Forschungsgruppenleiter*innen beteiligt: 7 von der Universität Basel, 6 von IBM Research – Zürich, 4 von der ETH Zürich und 2 von der EPF Lausanne. Zu den zentralen Merkmalen des NFS «SPIN» gehören neben der Kooperation von Akademie und Industrie auch eine besonders enge Verknüpfung zwischen Theorie und Experiment.

Der NFS «SPIN» vereint akademische und industrielle Partner und bringt Know-how zusammen, das in jahrzehntelanger Forschung einerseits zu Quantencomputern, andererseits zur Miniaturisierung von Silizium-Nanostrukturen gewonnen wurde. Das Team des NFS «SPIN» besteht aus Fachleuten verschiedener Disziplinen wie Quantenphysik, Ingenieurwissenschaften, Informatik und Materialwissenschaften.