Microsoft sagt, sein seltsames neues Teilchen könnte Quantencomputer verbessern

Microsoft-Forscher haben die kontroverse Behauptung aufgestellt, sie hätten Hinweise auf ein schwer fassbares Teilchen gesehen, das einige der größten Probleme im Quantencomputing lösen könnte, doch einige Experten stellen die Entdeckung in Frage.

Quantencomputer verarbeiten Informationen mithilfe von Quantenbits oder Qubits, aktuelle Iterationen können jedoch fehleranfällig sein.

„Was das Feld braucht, ist eine neue Art von Qubit“, sagt Chetan Nayak bei Microsoft Quantum.

Er und seine Kollegen sagen, sie hätten einen bedeutenden Schritt hin zum Aufbau von Qubits aus Quasiteilchen gemacht, bei denen es sich nicht um echte Teilchen, sondern um kollektive Schwingungen handelt, die entstehen können, wenn Teilchen wie Elektronen zusammenwirken. Die betreffenden Quasiteilchen werden Majorana-Nullmoden genannt, die als ihr eigenes Antiteilchen fungieren und eine Ladung und Energie haben, die Null entsprechen. Das macht sie widerstandsfähig gegenüber Störungen – sodass sie beispiellos zuverlässige Qubits herstellen könnten –, macht sie aber auch notorisch schwer zu finden.

Die Microsoft-Forscher sagen, dass die von ihnen gebauten Geräte ein Verhalten zeigten, das mit den Majorana-Nullmodi übereinstimmte. Die Hauptbestandteile jedes Geräts waren ein extrem dünner halbleitender Draht und ein Stück supraleitendes Aluminium.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Microsoft behauptet, Majorana-Nullmodi gefunden zu haben. Ein Artikel aus dem Jahr 2018 einer anderen Gruppe von Forschern des Unternehmens lautete aus der wissenschaftlichen Zeitschrift zurückgezogen Natur im Jahr 2021, nachdem es nicht gehalten hat Ich stehe unter Beobachtung. Damals, Sergej Frolow an der University of Pittsburgh in Pennsylvania und seinen Kollegen festgestellt, dass Unvollkommenheiten im Halbleiterdraht könnten Quanteneffekte erzeugen, die leicht mit Majorana-Nullmoden verwechselt werden könnten.

„Um die Nullmodi von Majorana zu sehen, muss das Kabel wie eine sehr lange, sehr ebene Straße ohne Unebenheiten sein. Wenn im Draht eine Störung vorliegt, können Elektronen an diesen Fehlstellen hängen bleiben und Quantenzustände annehmen, die Majorana-Nullmoden nachahmen“, sagt Frolov.

In dem neuen Experiment verwendete das Team einen komplexeren Test namens Topological Gap Protocol. Um den Test zu bestehen, muss ein Gerät gleichzeitig Signaturen von Majorana-Nullmoden an jedem Ende des Drahtes aufweisen und außerdem zeigen, dass sich die Elektronen in einem Energiebereich befinden, in dem eine besondere Art von Supraleitung entsteht.

„Anstatt nach einer bestimmten einfachen Signatur der Majorana-Nullmoden zu suchen, suchten wir nach einem Mosaik von Signaturen“, sagt Nayak.

Die Forscher testeten dieses Protokoll an Hunderten von Computersimulationen von Geräten, bei denen etwaige Verunreinigungen in den Drähten berücksichtigt wurden, bevor sie es für experimentelle Daten verwendeten. Nayak sagt, sie hätten berechnet, dass für jedes Gerät, das das Topological-Gap-Protokoll bestanden habe, die Wahrscheinlichkeit, dass darin tatsächlich kein Majorana-Nullmodus vorhanden sei, weniger als 8 Prozent liege.

Nicht alle Forscher auf diesem Gebiet sind davon überzeugt. Henry Legg an der Universität Basel in der Schweiz und seinen Kollegen kürzlich veröffentlicht Eine Reihe von Berechnungen zeigt, dass dieser Test durch Verunreinigungen in den Drähten verfälscht werden kann. „Das aktuell implementierte Protokoll über topologische Lücken ist sicherlich nicht frei von Lücken“, sagt er.

Frolov sagt, dass einige Details darauf hindeuten, dass scheinbar Majorana-Nullmoden als Folge einer Störung aufgedeckt würden, wenn das Experiment mit noch empfindlicheren Messungen wiederholt würde. Dazu gehören kleine Unterschiede zwischen den Messungen für den linken und rechten Rand des Drahtes sowie die Messungen der Elektronenenergien – dieselben Energien können auf entstehende Majorana-Nullmoden oder auf Schmutz hinweisen, der die Elektronen einfängt.

Anton Achmerow an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden sagt, für ihn sei das neue Experiment kein brauchbarer Beweis dafür, dass Majorana-Nullmoden entdeckt wurden, bis ein anderes Forscherteam es reproduziert. Dies könnte jedoch schwierig sein, da einige Details zur Herstellung der Microsoft-Geräte aufgrund von Geschäftsgeheimnissen nicht veröffentlicht wurden, sagt er.

Das Team von Microsoft hat bereits vor, das Gerät komplexer zu machen und einem Quantencomputer ähnlicher zu machen. „Wir sind zuversichtlich, dass unser nächster Meilenstein der Bau eines echten Qubits sein wird. Das wird der beste Weg sein, die Zweifler weniger zweifeln zu lassen“, sagt Nayak.

Matthias Troyer Laut Microsoft ist die Entdeckung ein Schritt hin zum Bau eines Quanten-Supercomputers, der Milliarden zuverlässiger Operationen pro Sekunde ausführen könnte.

Selbst wenn das Ergebnis zutrifft, bestehen weiterhin Zweifel an der Nützlichkeit solcher Qubits. „Beweise für Majorana-Nullmoden in Quantendrähten werden seit über zehn Jahren eifrig gesucht, und ich freue mich über diesen jüngsten Fortschritt. Allerdings schränken Mängel in den Materialien weiterhin die Leistung dieser Geräte ein“, sagt er John Preskill am California Institute of Technology.