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Physik: Topologische Quantencomputer

Eine neue Art von Qubit könnte den Weg zu einem universellen Quantencomputer ebnen. Doch noch ist nicht klar, ob eine solche Informationseinheit überhaupt existiert.
Quantencomputer (Illustration)

In vielen Bereichen versprechen Quantencomputer, die Geräte der Zukunft zu sein: Sie könnten einige Probleme wesentlich schneller lösen als ihre klassischen Varianten – etwa, wenn es um Routenplanung, künstliche Intelligenz oder die Entwicklung von Medikamenten geht. Doch der Fortschritt auf dem Gebiet verläuft schleppend, bisher basieren die verfügbaren Geräte auf wenigen Quanten-Bits (kurz Qubits), wodurch komplizierte Berechnungen, die man zum Lösen interessanter Probleme braucht, noch in weiter Ferne liegen. Eine der Hauptschwierigkeiten ist, dass die Qubits extrem empfindlich sind, weshalb man sie so gut wie möglich von ihrer Umgebung abschotten muss. Und je größer das Quantensystem, desto schwerer fällt diese Aufgabe.

Aber es gibt Hoffnung: Exotische Qubits in so genannten topologischen Quantencomputern sind theoretischen Berechnungen zufolge wesentlich robuster – und erweisen sich somit als vielversprechender Ansatz, um auf quantenmechanischen Prinzipien basierende Rechner zu konstruieren. Bereits 2018 veröffentlichte ein Forscherteam um den Physiker Leo Kouwenhoven von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden im Fachmagazin »Nature« den dazu passenden Meilenstein: Sie behaupteten, die lang ersehnten topologischen Qubits, so genannte Majorana-Nullmoden, erstmals nachgewiesen zu haben.

Obwohl die Theorie hinter den exotischen Teilchen gut verstanden ist, hat es sich als extrem schwierig herausgestellt, sie experimentell zu erzeugen. Trotz der technischen Herausforderungen sind einige Forscherinnen und Forscher dennoch überzeugt, dass Majorana-Nullmoden die einzige Möglichkeit darstellen, universelle Quantencomputer mit hunderten bis tausenden Qubits herzustellen. Auch das erfolgreiche US-Unternehmen Microsoft setzt größtenteils auf diesen ehrgeizigen Ansatz.

Deshalb erregte der Fachartikel von Kouwenhoven und seinem Team sehr viel Aufmerksamkeit. Die Presse feierte das Ergebnis als den Beginn der Ära topologischer Quantencomputer. Ein Jahr später eröffnete Microsoft ein eigenes Forschungszentrum für Quantentechnologie auf dem Campus der TU Delft, mit Kouwenhoven als Leiter.

Doch dann ging es bergab …

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  • Quellen

Frolov, S.: Quantum computing’s reproducibility crisis: Majorana fermions. Nature 592, 2021

Lee, E. J. H. et al.: Spin-resolved Andreev levels and parity crossings in hybrid superconductor–semiconductor nanostructures. Nature Nanotechnology 9, 2014

Vaitiekenas, S. et al.: Flux-induced topological superconductivity in full-shell nanowires. Science 367, 2020

Valentini, M. et al.: Nontopological zero-bias peaks in full-shell nanowires induced by flux-tunable Andreev states. Science 373, 2021

Zhang, H. et al.: RETRACTED ARTICLE: Quantized Majorana conductance. Nature 556, 2018