Topologische Quantenzustände bei Microsoft: Ein Schritt zum Quantencomputer?

Microsoft hat Fortschritte bei der Entwicklung von Quantencomputern vermeldet, die auf sogenannten "topologischen Quantenzuständen" basieren. Wie die F.A.Z. berichtet, präsentierte der Konzern einen neuen Chip namens "Majorana 1", der den Weg für kommerzielle Quantencomputer ebnen soll. Microsoft-Chef Satya Nadella sprach von einer Zukunft mit Quantenchips, die leistungsfähiger seien als alle heutigen Computer zusammen. Der neue Chip ist laut Microsoft das Ergebnis von fast 20 Jahren Forschung und soll besonders kleine, schnelle und zuverlässige Qubits ermöglichen. Die Qubits, die kleinsten Recheneinheiten von Quantencomputern, folgen den Gesetzen der Quantenmechanik und können im Gegensatz zu klassischen Bits mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Wie vom Microsoft Research Projekt "Topological Quantum Computing" erläutert, sollen Quantencomputer Aufgaben bewältigen, die für herkömmliche Computer schwierig oder unmöglich sind, wie die Primfaktorzerlegung großer Zahlen oder die Simulation von Quantensystemen. Ein Hauptproblem bei Quantencomputern ist ihre Fehleranfälligkeit aufgrund der Instabilität der Qubits. Microsoft sieht in seinem Ansatz mit topologischen Zuständen eine Lösung. Der Konzern behauptet, diesen Zustand in Festkörpern nachgewiesen und in Laborarbeiten kontrollieren zu können, indem Indiumarsenid mit Aluminium kombiniert wurde. Wie in der Forschungsarbeit "Scalable Designs for Quasiparticle-Poisoning-Protected Topological Quantum Computation with Majorana Zero Modes" beschrieben, basiert die Technologie auf Majorana Zero Modes (MZMs), die an den Enden von topologischen, supraleitenden Drahtsegmenten realisiert werden. Es gibt jedoch auch Zweifel an Microsofts Erfolg. Wie die F.A.Z. weiter berichtet, äußerte Jan Goetz, CEO des Quantentechnologie-Unternehmens IQM, dass die Technologie noch in der Forschungsphase sei. Der Physikprofessor Jason Alicea vom California Institute of Technology äußerte gegenüber der „New York Times“ Zweifel, ob Microsoft tatsächlich ein topologisches Qubit erzeugt habe. Wie die F.A.Z. ebenfalls anmerkt, musste Microsoft bereits eine Forschungsarbeit auf diesem Gebiet zurückziehen. Die Frage, wann Quantencomputer kommerziell nutzbar sein werden, wird in der Branche unterschiedlich beantwortet. Während Nvidia-Chef Jensen Huang mit 20 Jahren rechnet, zeigt sich Google optimistischer. Wie die F.A.Z. berichtet, präsentierte Google einen Quantenchip, der eine bestimmte Rechenaufgabe in Minuten lösen kann, für die ein Supercomputer Quadrillionen von Jahren benötigen würde.

Der Weg zur fehlertoleranten Quantenberechnung

Die Entwicklung von fehlertoleranten Quantencomputern ist ein komplexes Unterfangen. Wie in der Arbeit "Quasi-Topological Phases of Matter and Topological Protection" diskutiert wird, unterscheiden sich topologische Phasen von quasi-topologischen Phasen im Grad ihrer Stabilität gegenüber Störungen. Die Arbeit "Measurement-Only Topological Quantum Computation via Anyonic Interferometry" beschreibt, wie topologische Ladungsmessungen verwendet werden können, um die für die topologische Quantenberechnung verwendeten Transformationen zu generieren. Die Realisierung von topologischen Quantenzuständen ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer. Ob und wann Microsoft den Durchbruch schafft, bleibt abzuwarten. Die Konkurrenz schläft nicht, und die technologischen Herausforderungen sind immens.

Quellen:

• https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/unternehmen/microsoft-reklamiert-quanten-erfolg-wann-ist-die-technik-reif-110309353.html
• https://www.microsoft.com/en-us/research/project/topological-quantum-computing/
• https://arxiv.org/pdf/1610.05289.pdf
• https://arxiv.org/pdf/1212.6395.pdf