Microsoft stellt bahnbrechenden Quanten-Chip vor

Microsoft hat Majorana 1 vorgestellt. Der Quanten-Chip mit „Topological Core”-Architektur soll leistungsstarke Quantencomputer schon in einigen Jahren statt Jahrzehnten möglich machen.

Der Durchbruch geht auf ein neu entwickeltes Material zurück. Majorana 1 basiert auf einem sogenannten Topoconductor, dessen Besonderheiten in einer einer am Mittwoch erschienenen Nature-Studie des Microsoft Azure Quantum Teams dargestellt sind.

Topoconductor ermöglicht neuen Aggregatszustand

Der Topoconductor, auch topologischer Supraleiter genannt, kann einen gänzlich neuen Aggregatzustand annehmen: weder fest, flüssig, noch gasförmig, sondern topologisch. Dieser Zustand war zuvor nur in der Theorie beschrieben worden.

Microsoft hat dafür den Halbleiter Indiumarsenid mit Aluminium, einem Supraleiter, kombiniert. Jedes einzelne Atom sei im neuen Design mit Absicht platziert, so das Forschungsteam. Unter Einfluss von Magnetfeldern und bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts, also -273,15 Grad Celsius, entfaltet das Material seine besonderen Eigenschaften.

Qubits aus Majoranas

Analog zu den Bits, die klassische Computer nutzen, gibt es bei Quantencomputern Qubits. Diese sind allerdings ziemlich instabil und leicht störbar, was zu Informationsverlust führen kann. Außerdem kann ihr Zustand durch Messung beeinflusst werden.

➤ Mehr lesen: Google: In 5 Jahren sind Quantencomputer serienreif

Microsoft macht seine Qubits aus Majoranas, die nach dem italienischen Mathematiker Ettore Majorana (1906-1938) benannt sind. Diese topologischen Qubits sind laut Forschungsteam im Vergleich zu anderen Qubits weder zu klein noch zu groß und hardwareseitig gegen zufällige Störungen geschützt.

Simple, aber mächtige Architektur

Die neu vorgestellte Architektur sei relativ simpel: Für ein Qubit sind Nano-Drähte aus Aluminium zu einem „H“ geformt, an denen vier kontrollierbare Majoranas sitzen. Quanten-Informationen werden über Parität gespeichert, das heißt, je nachdem, ob der Draht eine gerade oder ungerade Zahl an Elektronen enthält. 

Mithilfe von Mikrowellen wird im neuen Chip mit einer Fehlertoleranz von nur einem Prozent gemessen, wie viele Elektronen präsent sind. Diese Messmethode unterscheidet sich wesentlich von bestehenden Herangehensweisen, da die Fehlerkorrektur sozusagen in der Hardware verbaut ist.

Skalierbares Design

Der heute vorgestellte Majorana 1-Chip vefügt über 8 topologische Qubits, was auf eine Million skaliert werden könnte. Für Quantencomputer, die in Zukunft durch präzise Simulationen wertvolle Beiträge zu wissenschaftlichen Problemen liefern sollen, seien mindestens eine Million Qubits notwendig, was jetzt greifbar sei, wie Microsoft-Forscher Chetan Nayak in einer Aussendung betont.

Mit Majorana 1 wurde nun der zweite Meilenstein auf Microsofts Roadmap zum Quanten-Supercomputer erreicht. Schon 2023 hatte das unternehmenseigene Forschungsteam erstmals Majoranas hergestellt und kontrolliert.

➤ Mehr lesen: So will Microsoft ein großes Problem der Quantencomputer lösen

Linzer Physiker an Forschung beteiligt

An der bahnbrechenden Entwicklung des neuen Quanten-Chips war auch ein Physiker aus Linz beteiligt: Matthias Troyer ist seit 2019 Technical Fellow bei Microsoft. In einem Video zu Majorana 1 erklärt er, dass Quantencomputer die Werkzeuge liefern können, um neue Arzneimittel oder Enzyme für die Lebensmittelproduktion zu entwickeln: „Was könnte mächtiger sein als eine Maschine, die die Art, wie wir mit Materialien arbeiten, radikal verändern kann?“. Quantencomputer könnten tatsächlich auch dabei helfen, die komplexen Materialien, die sie überhaupt erst ermöglichen, besser zu verstehen.