Microsoft, präsentiert sein neues Majorana 1 Quantenprozessor, hat einen gangbaren Weg zu einem Millionen-Qubit-Quantenchip skizziert. Aber markiert dieser neue Materiezustand wirklich einen Durchbruch für das Quantencomputing oder ist er nur ein weiterer Schritt in seiner Entwicklung?

Quantencomputing gilt seit langem als nächste technologische Grenze und verspricht Lösungen für Probleme, die selbst die leistungsstärksten modernen Supercomputer nicht bewältigen können. Forscher kämpfen jedoch seit Jahren mit einer grundlegenden Herausforderung: Wie lässt sich ein System bauen, das die komplexe Physik von Qubits, den Grundeinheiten der Quanteninformation, bewältigen kann, ohne dass es zu Rauschen, Instabilität und Skalierbarkeitsproblemen kommt.

Microsoft behauptet nun, einen neuen Kurs eingeschlagen zu haben mit seiner Majorana 1 Chip, eine Innovation, die als Topological Core-Architektur bezeichnet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Qubits aus Standardhalbleitern oder supraleitenden Materialien Majorana 1 basiert auf etwas ganz anderem – topologischen Leitern. Diese Materialien können einen neuen Zustand der Materie, eine topologische Phase, hervorbringen, der sich von den traditionellen Zuständen fest, flüssig oder gasförmig unterscheidet.

Aber warum ist das wichtig? Und noch wichtiger: Warum sollte es jemanden außerhalb der Quantenphysik interessieren? Das Potenzial des Quantencomputings geht weit über Forschungslabore hinaus und beeinflusst alles von der Entwicklung selbstheilender Baumaterialien bis hin zur Optimierung von Katalysatoren, die Plastik in harmlose Nebenprodukte zerlegen. Microsoft glaubt, dass mit Majorana 1, könnten diese Durchbrüche eher innerhalb von Jahren als Jahrzehnten Realität werden.

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Ein weiterer Blick auf Würfel

Im Kern von MicrosoftDer Fortschritt von ist ein neues topologisches Leitermaterial. Es wurde aus Indiumarsenid (einem Halbleiter) und Aluminium (einem Supraleiter) hergestellt und, wie ein Forscher es beschrieb, „buchstäblich Atom für Atom zusammengesetzt“. Das Ergebnis ist eine ultrareine Umgebung, die schwer fassbare Quantenteilchen, sogenannte Majorana-Fermionen, aufrechterhalten kann.

Majorana-Fermionen sind theoretisch eine der zuverlässigsten Methoden zur Speicherung von Quanteninformationen. Ihre einzigartigen Eigenschaften helfen, Daten vor Umgebungsrauschen abzuschirmen und fragile Quantenzustände zu bewahren. Herkömmliche Qubits sind hochempfindlich und anfällig für Dekohärenz – ein Prozess, bei dem Quantenzustände aufgrund externer Störungen zusammenbrechen. Selbst geringfügige Störungen wie elektromagnetische Streusignale, Temperaturschwankungen oder winzige physikalische Störungen können Fehler verursachen. Diese inhärente Fragilität war lange Zeit ein großes Hindernis beim Bau stabiler und skalierbarer Quantencomputer.

Microsoft behauptet das jetzt Majorana 1-basierte topologische Qubits bieten Fehlerresistenz auf Hardwareebene und integrieren Stabilität effektiv in das Design des Qubits. Einfach ausgedrückt könnte dies Quantencomputer deutlich praktischer und einfacher skalierbar machen.

„Wir sind einen Schritt zurückgegangen und haben gefragt: ‚Wie würde ein Transistor für das Quantenzeitalter aussehen? Welche Eigenschaften sollte er haben?‘“, sagte Chetan Nayak, Technical Fellow bei Microsoft„Wir sind hierher durch eine einzigartige Kombination aus spezifischer Materialqualität und entscheidenden Details in unserem neuen Materialsatz gelangt, die es uns ermöglicht hat, einen neuen Qubit-Typ und letztendlich unsere gesamte Architektur zu schaffen.“

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Warum dieser Durchbruch so bedeutsam ist

Quantencomputing hat das Potenzial, die Problemlösung zu revolutionieren, insbesondere in Bereichen mit riesigen Datensätzen oder komplexen Interaktionen in Chemie, Physik und Materialwissenschaften. Allerdings bleibt es eine Herausforderung, auch nur einige Hundert oder Tausend Qubits zu erreichen, die zuverlässig funktionieren.

Ein inhärentes Problem ist, dass Qubits fehleranfällig sind. Der Aufbau von Systemen mit Fehlerkorrektur erfordert in der Regel einen erheblichen Mehraufwand, da zusätzliche Qubits verwendet werden, um nur einige wenige „logische Qubits“ zu stabilisieren, die die Berechnungen durchführen.

Der topologische Ansatz zielt darauf ab, den Aufwand für die Fehlerkorrektur zu reduzieren, indem jedes Qubit von Natur aus stabiler gemacht wird. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt bei dem Versuch dar, eine Maschine zu bauen, die eine Million Qubits verarbeiten kann. Experten halten diesen Schwellenwert für unverzichtbar, um reale Probleme anzugehen, etwa bei der Erforschung neuer Arzneimittel, der Optimierung komplexer Lieferketten oder der Entdeckung selbstheilender Materialien, mit denen Risse in Brücken, Flugzeugkomponenten oder sogar Kratzer auf Telefonbildschirmen repariert werden könnten.

Eine Million Qubits auf einem Chip zu realisieren, der klein genug ist, um in eine Handfläche zu passen, klingt vielleicht wie etwas aus der Science-Fiction. Microsoft ist davon überzeugt, dass dieser Maßstab durch seine Topological Core-Architektur erreichbar ist.

„Wenn man den Quantenraum erforscht, muss es einen Weg zu einer Million Qubits geben. Ohne diesen Weg stößt man an eine Wand, bevor man die Größenordnung erreicht, die zur Lösung der wirklich wichtigen Probleme, die uns antreiben, erforderlich ist“, sagte Chetan Nayak. „Wir haben tatsächlich den Weg zu einer Million vorgezeichnet.“

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Neue Konzepte für Kontrolle und Messung

Qubits müssen nicht nur stabil sein, sondern auch messbar, um brauchbare Ergebnisse zu liefern. Traditionelle Methoden beruhen häufig auf der analogen Feinabstimmung jedes einzelnen Qubits, einem komplexen und zeitaufwändigen Prozess, der mit zunehmender Anzahl der Qubits unkontrollierbar wird.

Microsoft umgeht diese Herausforderung, indem ein „digitaler Schalter“ eingeführt wird, der die Enden des Nanodrahts (in dem sich die Majorana-Elektronen befinden) mit einem Quantenpunkt verbindet. Dieser Quantenpunkt speichert eine elektrische Ladung, die sich je nach der Anzahl der vorhandenen Elektronen ändert, ähnlich wie bei der Unterscheidung zwischen „einer Milliarde“ und „einer Milliarde und eins“. Dieser Ladungsunterschied gibt an, ob sich das Qubit in einem geraden oder ungeraden Zustand befindet, eine Schlüsselinformation für Quantenberechnungen.

Bedeutsam ist, dass Messungen mithilfe von Spannungsimpulsen ein- oder ausgeschaltet werden können, was eher dem Umlegen eines digitalen Schalters als dem Einstellen empfindlicher Regler ähnelt. Dieser Ansatz befreit die Ingenieure von der Notwendigkeit, jedes Qubit einzeln zu kalibrieren, was die Komplexität des Systems potenziell um Größenordnungen reduzieren könnte. Da der Prozess zudem auf Hardwareebene stabil ist, sind weniger zusätzliche Qubits zur Fehlerkorrektur erforderlich.

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Das Unmögliche schaffen: ein neuer Materiezustand

Das Konzept eines topologischen Zustands der Materie – einer Phase der Materie, die sich von Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen unterscheidet – mag wie abstrakte Quantenmechanik klingen. Es ist jedoch die Grundlage dieses Ansatzes. Die Schaffung topologischer Leiter erfordert Microsoft eine völlig neue Materialklasse zu entwickeln.

MicrosoftDie topologische Qubit-Architektur von hat die Form eines winzigen „H“ aus Aluminium-Nanodrähten und vereint vier kontrollierte Majorana-Elemente zu einem einzigen Qubit. Diese einzelnen Qubits können dann auf einem Chip angeordnet werden, was eine einfache Möglichkeit zur Skalierung bietet.

„Es ist schwierig, weil wir einen neuen Materiezustand demonstrieren mussten, um dorthin zu gelangen, aber danach ist es relativ einfach. Es ist wie Kacheln. Sie haben eine viel einfachere Architektur, die einen viel schnelleren Weg zur Skalierung verspricht“, sagte Krista Swore, eine weitere technische Mitarbeiterin bei Microsoft.

Dieser neue Materiezustand ist auch der Grund, warum die Majorana-Fermionen so schwer zu fassen sind: Die Natur erzeugt sie nicht spontan. Um ihre Existenz zu induzieren, sind Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, sorgfältig ausgerichtete Magnetfelder und eine einwandfreie Schnittstelle zwischen supraleitendem Aluminium und halbleitendem Indiumarsenid erforderlich. Eine Störung der Atomstruktur und das Qubit versagt. Dies ist ein bemerkenswerter Durchbruch in der Materialwissenschaft und unterstreicht das Ausmaß der technischen Herausforderungen, die Microsoft überwinden musste.

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Der Weg zu echten Lösungen

Wie bei jeder ehrgeizigen Forschung im Bereich Quantencomputer wird es Jahre dauern, bis die Ergebnisse vollständig vorliegen. Microsoft für einige Positionen Majorana 1 als das fehlende Puzzleteil, das Quantums Fähigkeit beschleunigen wird, Probleme zu lösen, die die Branche prägen. Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), die für die Finanzierung risikoreicher und kostenintensiver Technologien zuständig ist, scheint dem zuzustimmen. Microsoft ist eines von zwei Unternehmen, die für die letzte Phase des DARPA-Programms „Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing“ (US2QC) ausgewählt wurden, dessen Ziel die Entwicklung des ersten fehlertoleranten Quantencomputers mit echtem kommerziellen Wert ist.

Die Auswirkungen sind enorm. Mit einem System aus einer Million Qubits könnten Wissenschaftler theoretisch die komplexesten chemischen Rätsel lösen, erklären, warum bestimmte Materialien korrodieren oder reißen, oder aufklären, wie bestimmte Enzyme als Katalysatoren in der Landwirtschaft und im Gesundheitswesen wirken.

Solche Entdeckungen könnten zur Entwicklung selbstheilender Infrastrukturen, wirksamerer Medikamente oder einer universellen Methode zum Abbau von Plastik und zur Bekämpfung der Mikroplastikverschmutzung führen. Kombiniert mit Fortschritten in der künstlichen Intelligenz könnten Quantencomputer unsere Ziele in „Rezepte“ für neue Materialien verwandeln und so möglicherweise jahrelanges Ausprobieren in Forschung und Entwicklung überflüssig machen.

„Von Anfang an wollten wir einen Quantencomputer für kommerzielle Zwecke entwickeln, nicht nur für intellektuelle Führung“, sagte MicrosoftMatthias Troyer, technischer Mitarbeiter von . „Wir wussten, dass wir ein neues Qubit brauchten. Wir wussten, dass wir skalieren mussten.“

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Ein Wendepunkt für Quantum

In vielerlei Hinsicht erinnert der Kampf auf dem Gebiet der Quantencomputer an die Anfänge der Halbleiterrevolution. Die Ingenieure wussten, dass praktische Transistoren die Welt verändern würden, aber zunächst mussten sie zahlreiche Herausforderungen in den Bereichen Materialwissenschaft und Schaltungsdesign lösen.

In ähnlicher Weise könnten topologische Leiter für die Quanteninformatik das leisten, was einst Halbleiter für die klassische Informatik leisteten: Sie könnten die stabile, skalierbare Grundlage für die nächste Rechenleistungsgeneration bilden.

Das Majorana 1 Chip, der eine Million Qubits aufnehmen kann und etwa handflächengroß ist, deutet darauf hin, dass das Zeitalter der Quantenmaschinen mit „Millionen Qubits“ näher sein könnte, als wir denken. Natürlich erfordern echte Quantenmaschinen im großen Maßstab noch Jahre der Entwicklung.

Verdünnungskühlschränke, Steuerlogik, Software-Stacks und das gesamte Computer-Ökosystem müssen nahtlos integriert werden. Der topologische Ansatz hat jedoch die größten wissenschaftlichen Hürden, die sich damit befassen, „wie man die Qubit-Stabilität aufrechterhält und sie zuverlässig misst“, teilweise beseitigt.

„Eine Sache ist, einen neuen Zustand der Materie zu entdecken“, sagte Nayak. „Eine andere ist, ihn zu nutzen, um Quantencomputer im großen Maßstab neu zu denken.“ Es scheint, dass Microsoft hat beides getan, indem es die Quantentechnologie über Laboraufbauten hinaus getrieben und sie in Richtung praktischer Anwendung weiterentwickelt hat. Die Suche nach stabilen Qubits könnte endlich einer Ära weichen, in der Quantenhardware zuverlässiger ist, der Weg zu einer Million Qubits vorgezeichnet ist und kommerzielle Anwendungen in Sicht sind.

Wenn diese Technologie ihre Versprechen hält, wird sie nicht nur einen Wendepunkt darstellen für Microsoft. Es könnte einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise bedeuten, wie wir alles entwickeln – von fortschrittlichen Materialien und Arzneimitteln bis hin zu komplexen Umweltlösungen. Und deshalb Majorana 1 ist so eine große Sache.

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