Das Departement Physik leitet Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) zur Entwicklung eines Quantencomputers auf Silikon-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. Richard J. Warburton 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.  

Das Direktorenteam des NFS «SPIN»: Prof. Daniel Loss (Co-Direktor), Prof. Richard J. Warburton (Direktor) und Prof. Jelena Klinovaja (stellvrtretende Co-Direktorin) (v.l.n.r.; nicht auf dem Bild: Dr. Heike Riel, stellvertretende Direktorin). Bild: © Christian Flierl, Universität Basel.

Interdisziplinäres Netzwerk
Geleitet wird der NFS «SPIN» von Prof. Richard J. Warburton 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.