Fehlertolerante Quantenberechnungen in „Jahren statt Jahrzehnten“ Microsoft verkündet Quantum-Durchbruch – mit gemischten Reaktionen

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Der Quantenprozessor „Majorana 1“ soll Qubits mit einzigartigen topologischen Materialeigenschaften nutzen. Damit könnten in wenigen Jahren stabile und skalierbare Quantenberechnungen ermöglicht werden. Die Reaktionen von Physikern reichen von Faszination bis zu vehementer Kritik.

Microsoft hat einen Durchbruch bei der Erzeugung von Qubits mithilfe eines neuartigen „topologischen“ Materialzustands verkündet. Acht solcher Qubits sollen auf dem „Majorana 1“-Quantenchip Platz finden.

Noch ist „Majorana 1“ kein praxistauglicher Prozessor. Einen Erfolg bei der Produktion kritischer„Bausteine“ postuliert Microsoft aber als Demonstration „schnelle[r] Fortschritte auf dem Weg zum nützlichen Quantencomputing“.

Die Quantenwelt berechenbar machen

Im Rennen, Quantencomputer marktreif zu machen, galt Microsoft bislang nicht als Spitzenreiter. So konnten Google und IBM bereits Chips mit 105 beziehungsweise gar 1.121 der beharrlich instabilen Recheneinheiten eines Quantencomputers – den Qubits – entwickeln. Den quantenmechanischen Regeln der subatomaren Welt folgend und auf Temperaturen nahe -273 Grad Celsius stabilisiert, können Quantenbits (Qubits) sich nicht nur im Zustand „0“ oder „1“, sondern auch in einer Überlagerung beider Zustände befinden und so eine inhärente Quantenparallelität aufweisen.

Durchbruchstimmung und Sicherheitsrisiken

Im Quantencomputing ist wirtschaftlicher Nutzen in Sichtweite

Diese bietet das Potential für einen exponentiellen Zugewinn an paralleler Rechenkraft in Quantencomputern. Auch bei den bereits existierenden Quantenprozessoren bleiben allerdings Anforderungen an Skalierung und Fehlerkorrektur entscheidende Hürden auf dem Weg zur Alltagstauglichkeit. Microsofts „topologischer“ Ansatz soll aber gerade diese Hürden deutlich leichter überwinden können.

Topologische Eigenschaften versprechen Umweltresistenz

Es geht um einen Ausweg aus dem Problem der Dekohärenz: denn die einzigartigen Effekte der Quantenwelt – einschließlich Überlagerung und Verschränkung – werden durch Interaktionen mit der makroskopischen Umgebung gestört. Das Verhalten der Systeme folgt dann zunehmend den Gesetzen der klassischen Physik. Auch eine Messung eines Qubits während der Quantenberechnung kollabiert den Überlagerungszustand, um ein spezifisches Messergebnis zu produzieren.

Besondere topologische Materialeigenschaften hingegen sollen auch dann bestehen bleiben, wenn ein Objekt deformiert wird. Dies könnte es ermöglichen, Quanteninformationen nicht-lokalisiert zu speichern und so vor Umwelteinflüssen zu schützen.

Den angekündigten Chip hat Microsoft nach dem italienischen Physiker Ettore Majorana benannt, der 1937 postulierte, dass mathematisch auch ein solches Elementarteilchen existieren könnte, das mit seinem Antiteilchen identisch ist. Die Suche nach topologischen Materialeigenschaften beschäftigt Physiker bis heute. So teilten sich die Physiker Michael Kosterlitz, David Thouless und Duncan Haldane 2016 den Nobelpreis für theoretische Arbeiten zur Erklärung topologischer Konzepte.

Das Team von Microsoft soll nun mit Magnetfeldern und Superleitern bei Kühlung nah am absoluten Nullpunkt Quasiteilchen mit topologischen Eigenschaften – „Majorana Zero Modes“ – erzeugt haben. Entscheidend dafür sei der Einsatz topologischer Supraleiter („Topoleiter“) gewesen. Das Team habe dafür neue Materialverbindungen aus Indiumarsenid als Halbleiter und Aluminium als Superleiter entwickelt und „Atom für Atom“ zusammengesetzt.

Zwei derart speziell präparierte Nanodrähte sollen dann an ihren Enden Majorana-Zustände erzeugen können. Die abzurufende Quanteninformation – ob das System eine gerade oder ungerade Anzahl an Elektronen enthält – wird dabei von den „Majorana Zero Modes“ nicht lokalisiert gespeichert, sondern zwischen den zwei Quasiteilchen geteilt. Laut Microsoft entstünde so ein „topologischer Schutz“ vor Umwelteinflüssen.

Mit „95-prozentiger Wahrscheinlichkeit“ nachgewiesen

In einer Publikation der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ beschreibt das Wissenschaftlerteam von Microsoft die angestellten Messungen an den Nanodrähten. Die gemessenen Muster wechselnder Zustände sollen dabei zwar „nicht alleine“ die Existenz topologischer Zustände beweisen, würden sich aber mit früheren Publikationen zum erwarteten Verhalten von Majorana-Quasiteilchen decken.

Laut Chetan Nayak, dem Quantum-Verantwortlichen bei Microsoft, zeigen die Messungen „mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit“ topologische Aktivitäten. Jenseits der publizierten Ergebnisse habe Microsoft auch zwei gepaarte Nanodrähte in eine Superposition zweier Zustände (mit einem zusätzlichen Elektron auf je einem der Drähte) gebracht und so einen Qubit erzeugt. Diese zusätzlichen Ergebnisse hat Microsoft im Vorfeld der Ankündigung einer Gruppe von ausgewählten Physikern in Santa Barbara, Kalifornien, vorgestellt.

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Neben den Qubits würden laut Microsoft auch die notwendige Kontrollelektronik und die benötigte leistungsstarke Tiefkühlung sowie eine Steuerungssoftware bereits existieren. Es sei aber eine noch nicht bewältigte Herausforderung, diese in Einklang zu bringen und zu skalieren.

Dennoch plant das Quantum-Team von Microsoft, einen „fehlertoleranten Protopyen“ mit Einsatz topologischer Qubits „innerhalb von Jahren statt Jahrzenten“ zu produzieren. In fernerer Perspektive sollen dann auch bis zu einer Million topologischer Qubits Platz auf Microsofts Chips finden können.

Tatsächlich hat die staatliche US-Amerikanische „Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)“ kürzlich Microsofts topologische Technik zusammen mit dem photonenbasierten Ansatz des kalifornischen Startups „Psiquantum“ ausgewählt, um an einer beschleunigten Entwicklung marktreifer Rechner zu forschen.

Expertenreaktionen: von Vorfreude mit Vorbehalten...

Die Ankündigung hat in der Fachwelt hohe Wellen geschlagen – mit einer großen Bandbreite an Reaktionen von Faszination über vorsichtige Neugier bis zur vehementen Ablehnung. Steven Simon, Physikprofessor in Oxford, dem Microsoft neben anderen ausgewählten Wissenschaftlern Details der Ankündigung präsentierte, zeigte sich optimistisch: „Würde ich mein Leben darauf wetten, dass sie das sehen, was sie zu sehen glauben? Nein, aber es sieht ziemlich gut aus.“

Hoffnungsvoll reagierte auch sein Harvarder Kollege Philip Kimm: „Wenn alles gelingt, kann der Ansatz von Microsoft revolutionär sein“. George Booth, Professor am King’s Kollege London, bezweifelte zwar die Ambition, die Technologie in Jahren statt Jahrzehnten praxistauglich zu machen, pries aber die Studie selbst als „beindruckende technische Leistung“.

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Andere Stimmen sind kritischer. Daniel Loss, Professor für theoretische Festkörperphysik an der Universität Basel, fragt etwa: „Wenn man neue Ergebnisse [ jenseits der Publikation] hat, […] wieso wartet man nicht, bis genug Material für eine separate Publikation zusammenkommt?“ Jay Sau, ein theoretischer Physiker an der University of Maryland, der an der nicht-öffentlichen Präsentation von Microsoft teilgenommen hat, kritisiert ebenfalls die weit über die Nature-Publikation hinausgehenden Ankündigungen als „Wechsel aus dem Bereich der Wissenschaft zum Marketing“.

...bis zu fundamentalen Vorwürfen

Auch für Jelena Klinovaja, Professorin für kondensierte Materie und Quanteninformatik an der Universität Basel, genügen die publizierten Daten nicht. Nicht nur gäbe „es bisher keine Messungen des topologischen Qubits“. Auch in „der jüngsten Veröffentlichung gibt es keine Messungen, die bestätigen, dass irgendwelche topologischen Zustände beteiligt sind. […] Wir müssen Daten sehen“.

Langjährige Skeptiker hingegen scheuen sich nicht vor verheerenden Urteilen. Sergey Frolov, der Professor für Experimentalphysik an der University of Pittsburgh ist und mit seinem Labor unter anderem zu den „Majorana Zero Modes“ forscht, wirft Microsoft „einseitig ausgewählte Daten“ und „manpulierte Datenanalysen“ vor. Konkret beanstandet Frolov, die Autoren hätten ihre Messungen auf einem Protokoll basiert, welches eine „nicht-lokale“ Messtechnik falsch anwende und deswegen sich nicht zur Identifizierung von Majorana-Teilchen eigne. Vincent Mourik, Leiter einer Nachwuchsgruppe am Institut für Quanteninformation im Forschungszentrum Jülich, der Frolovs Stellungsnahme auf Linkedin verbreitet hat, spricht gar von einer „Fake-News-Kampagne“ durch Microsoft.

Frolov und Mourik gehörten auch zu den entschlossenen Kritikern einer früheren Nature-Publikation zu Majorana-Eigenschaften von einem anderen Microsoft Team in den Niederlanden. Diese wurde 2021 nach heftiger Kritik von den Autoren zurückgezogen. Nun verweist Frolov darauf, dass ausgerechnet ein Hauptautor zweier zurückgezogener Publikationen der Microsoft-Teams jetzt von Nature als anonymer Gutachter im Peer-Review-Verfahren des neuen Beitrages eingesetzt wurde.

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Aus der Perspektive von Microsoft zeigt sich der Quantum-Verantwortliche Nayak allerdings selbstbewusst: „Je mehr Arten von Messungen wir durchführen, desto schwieriger wird es sein, unsere Ergebnisse mit nicht-topologischen Modellen zu erklären. Es wird keinen einzelnen Moment geben, an dem alle sich überzeugen lassen.“ Nayak verspricht, sich im März 2025 bei der Konferenz der American Physical Society Fragen und kritischen Einwänden zu stellen.

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