Majorana 1: Was Microsofts Ankündigung für die Zukunft der Quantencomputer bedeutet

In einer dramatischen Ankündigung gab Microsoft am Mittwoch die Entwicklung des ersten Quantenchips auf Basis topologischer Qubits bekannt, einer speziellen Art von Qubit, die auf Teilchen namens Majorana-Fermionen basiert. Die neue Quantum Processing Unit, die zu Ehren des italienischen Physikers „Majorana 1“ genannt wird, ist ein Prototyp, der mit dem ersten „Topokonduktor“ gebaut wurde, einem speziellen Supraleiter, der in der Lage ist, „Quasiteilchen“ im „topologischen“ Materiezustand aufzunehmen und für die Durchführung von Quantenoperationen zu nutzen.

Der Vorteil topologischer Qubits Anders als andere Qubits, die häufiger in Quantencomputern von Google, IBM, Rigetti und vielen anderen verwendet werden, sind topologische Qubits viel schwieriger zu realisieren, da sie die Schaffung eines neuen Materiezustands voraussetzen: Microsoft selbst versucht es seit mindestens zwanzig Jahren.

Allerdings verfügen sie gegenüber den anderen zumindest theoretisch über einen grundsätzlichen Vorteil: Aufgrund ihrer Funktionsweise sind sie wesentlich resistenter gegenüber einer Verschlechterung ihres für die Durchführung von Berechnungen notwendigen Quantenzustands. Im Vergleich zu anderen Qubits sind sie grundsätzlich deutlich „robuster“ und bereits auf Hardwareebene resistenter gegen Fehler, wodurch ein enormer Fehlerkorrekturaufwand auf Softwareebene überflüssig wird.

Dies liegt daran, dass der „topologische“ Zustand durch Eigenschaften gekennzeichnet ist, die im Gegensatz zu den Zuständen von Flüssigkeit, Feststoff und Gas nicht von lokalen Merkmalen des Materials (wie etwa der Atomanordnung) abhängen, sondern von globalen, festen Eigenschaften, die mit seiner mathematischen Struktur verknüpft sind.

Falls sich Microsofts Ergebnis bestätigt, könnte es den Weg für die Entwicklung neuer Quantenchips ebnen, die wesentlich stabiler und besser steuerbar sind. Damit würde sich der Weg zu Quantencomputern, die die Computertechnik revolutionieren könnten, von einigen Jahrzehnten auf wenige Jahre verkürzen. Der Majorana 1-Chip enthält laut Microsoft bereits 8 dieser Qubits. Experten sind sich einig, dass für eine echte Überlegenheit im Quantencomputerbereich und für gültige kommerzielle Anwendungen Chips mit mindestens einer Million Qubits erforderlich sind.

Die Fähigkeit, Fehler auf physikalischer Ebene zu begrenzen, könnte laut Microsoft eine wesentlich einfachere Skalierung der Rechenleistung auf diese Ebenen ermöglichen, da kein auf jedes einzelne Qubit angewendetes Fehlerkorrektursystem erforderlich ist, wie dies bei anderen „nicht-topologischen“ Ansätzen typisch ist.

„Man kommt nicht auf eine Million Qubits, ohne Blut, Schweiß und Tränen zu fließen und auf dem Weg dorthin eine Menge sehr schwieriger technischer Herausforderungen zu lösen“, sagte Chetan Nayak, technischer Mitarbeiter bei Microsoft und Leiter des Teams, das mit dem topologischen Ansatz experimentiert, gegenüber MIT Technology Review. „Man will die Schwierigkeiten, die in Zukunft auf uns zukommen, nicht kleinreden, aber man kann sagen, dass wir zumindest eine Zielvorstellung haben.“

Wie viel Marketing und wie viel Wissenschaft? Allerdings gilt es wie immer in solchen Fällen, die Spreu des Wissenschaftsmarketings vom Weizen der angewandten Wissenschaft zu trennen. Insbesondere bleibt unklar, warum die Aussagen des Microsoft-CEOs und der Pressemitteilung, in denen eindeutig von einem „neuen Zustand der Materie“ die Rede ist, und der Inhalt des zeitgleich mit der Ankündigung in Nature erschienenen wissenschaftlichen Artikels zwei unterschiedliche Geschichten zu erzählen scheinen.

„Microsoft verfügt über ein erstklassiges wissenschaftliches Team, das erstklassige Ergebnisse erzielt“, erklärt Professor Tommaso Calarco, Quantenphysiker und Professor an der Universität Bologna, gegenüber Italian.Tech. „Ich frage mich jedoch, wie wir zu der Aussage des CEO gekommen sind, denn nach dem, was wir in Nature lesen können, besteht noch immer keine Gewissheit, dass es sich bei dem, was gemessen wurde, tatsächlich um ein topologisches Qubit handelt. Aus den Aussagen von Microsoft geht jedoch klar hervor, dass das Ergebnis erreicht wurde.“

Der springende Punkt ist folgender: In der Ankündigung von Microsoft ist von der Schaffung des ersten topologischen Qubits die Rede, und damit wird vorausgesetzt, dass es den Forschungsteams gelungen ist, ein Majorana-Fermion zu „synthetisieren“ (verzeihen Sie die Vereinfachung) und dessen Existenz und Quantenzustand (Majorana Zero Mode) im Inneren des von Microsoft „Atom für Atom“ aus Aluminium und Indiumarsenid geschaffenen topologischen Supraleiters korrekt zu messen.

Was der Nature-Artikel wirklich aussagt Der in Nature veröffentlichte Artikel konzentriert sich jedoch auf den Messansatz und „beweist“ noch nicht die Existenz von Quasiteilchen im Supraleiter, behauptet jedoch, ein grundlegendes Ergebnis im System erzielt zu haben, um ihre Existenz zu bestätigen.

„In diesem Artikel“, berichtet Nature, „demonstrieren wir die Möglichkeit einer zeitaufgelösten Messung und validieren damit einen grundlegenden Bestandteil der topologischen Quantenberechnung.“

„In dem Artikel sagen die Forscher: Uns ist eine Operation gelungen, die für unsere Zwecke von grundlegender Bedeutung ist“, erklärt Calarco. „Dieses wissenschaftliche Ergebnis an sich ist außergewöhnlich und von höchstem Niveau. Sie räumen allerdings auch ein, dass diese Messung derzeit keine Bestätigung dafür liefert, ob das gemessene Phänomen tatsächlich mit der Präsenz von Majorana-Fermionen zusammenhängt, oder ob es sich stattdessen um ein triviales und damit nicht-topologisches Phänomen handelt.“

Der eigentliche schlagende Beweis findet sich in den redaktionellen Anmerkungen zu dem ebenfalls in Nature erschienenen Artikel, in denen die Gutachter des Papiers vor der Interpretation des Papiers warnen: „Die Redaktion möchte betonen, dass die Ergebnisse dieses Manuskripts keinen Beweis für das Vorhandensein von Majorana-Nullmoden ( der Quantenzustand, der für die Erzeugung topologischer Qubits relevant ist – Anm. d. Red. ) in den berichteten Geräten darstellen. Die Arbeit wird zur Einführung einer Gerätearchitektur veröffentlicht, die zukünftige Experimente zur Fusion mit Majorana-Zero-Modes ermöglichen könnte.“

Die Präzedenzfälle zwischen Microsoft und Nature Die extreme Vorsicht von Nature ist höchstwahrscheinlich auf die Präzedenzfälle im Zusammenhang mit Microsoft und den „Skandal“ zurückzuführen, der 2021 zum Rückzug eines Artikels zum gleichen Thema führte, der von Forschern mit Verbindungen zum Redmonder Unternehmen und zur TU Delft mitunterzeichnet worden war. Im Jahr 2018 veröffentlichte Nature einen Artikel, in dem das Forschungsteam behauptete, überzeugende Beweise für das Vorhandensein von Majorana Zero Modes (MZMs) in supraleitenden Nanodrähten beobachtet zu haben. Diese Studie galt als einer der stärksten Beweise für die Existenz von MZMs und bestärkte die Annahme, dass Microsoft auf dem richtigen Weg war, einen topologischen Quantencomputer zu bauen. Drei Jahre später stellte einer der beteiligten Forscher jedoch Unstimmigkeiten in den Berechnungen fest. Weitere Untersuchungen ergaben, dass einige Daten ausgewählt worden waren, um das gewünschte Signal hervorzuheben, während andere Daten ignoriert wurden, die Zweifel an der Entdeckung aufkommen ließen.

Microsofts Antwort Chetan Nayak, der Leiter der Forschungsgruppe, reagierte auf die Welle der Skepsis mit einem Kommentar im Blog von Scott Aaronson , einem amerikanischen Professor und Informatiker, der für seine Popularisierungsarbeiten im Bereich des Quantencomputings bekannt ist. „Leser des Nature-Artikels werden wahrscheinlich bemerkt haben, dass das Papier am 5. März 2024 zur Begutachtung eingereicht und am 19. Februar 2025 veröffentlicht wurde. Im vergangenen Jahr haben wir weiterhin Fortschritte gemacht“, erklärt Nayak und fügt mehrere technische Details hinzu, die die Messung von mindestens vier Majorana-Nullmodi und damit die topologische Natur der Qubits von Microsoft bestätigen.

Es gibt jedoch ein grundsätzliches Problem: Diese Ergebnisse, die Microsofts öffentliche Jubelfeiern deutlich untermauerten, können noch nicht als von Experten geprüft betrachtet werden und müssen daher zwangsläufig mit einer Prise Salz betrachtet werden. Aaronson erläutert: „Die Situation ist, dass Microsoft eindeutig behauptet, ein topologisches Qubit geschaffen zu haben und gerade einen entsprechenden Artikel in Nature veröffentlicht hat. Allerdings wurde die Behauptung, ein topologisches Qubit geschaffen zu haben, vom Peer-Review-Verfahren in Nature noch nicht akzeptiert.“ Riesige Investitionen

Kurz gesagt, es besteht eine gute Chance, dass Microsoft tatsächlich das erreicht hat, was es behauptet, einschließlich der „Erschaffung eines neuen Materiezustands“. Allerdings fehlt die wissenschaftliche Sicherheit eines von Experten begutachteten Artikels und das Unternehmen wollte offensichtlich nicht darauf warten, bevor es die neue Entdeckung mit großem Tamtam bekannt gab. „Wenn alles bestätigt und skalierbar wäre, wie Microsoft behauptet, stünden wir sicherlich vor einer sensationellen Entdeckung, die den Weg zu neuen Anwendungen ebnet“, so Calarco abschließend. „Wenn wir jedoch bei dem bleiben, was wir in Nature lesen, hat der Berg vorerst die sprichwörtliche Maus geboren. Vergessen wir nicht, dass diese Forschung enorme Investitionen erfordert, die gerechtfertigt werden müssen – auch intern innerhalb großer Unternehmen. Es ist unvermeidlich, dass bei der Kommunikation dieser Ergebnisse auch ein grundlegender Aspekt des wissenschaftlichen Marketings vorhanden ist.“