Microsoft hat seinen neuen Chip Majorana 1 vorgestellt. Der neue Quantenprozessor soll es ermöglichen, künftig robustere Quantencomputer zu entwickeln. Doch während die Nachricht an mancher Stelle einen kleinen Hype ausgelöst hat, sehen Experten den Vorstoß eher kritisch.
Am 19. Februar hat Microsoft seinen neuen Quantenprozessor Majorana 1 vorgestellt. Das Unternehmen selbst bezeichnet den Chip als „weltweit ersten Quantenprozessor mit topologischen Qubits“.
Wäre das tatsächlich der Fall, hätte Microsoft mit dieser Entwicklung einen enormen Schritt für stabiles Quantencomputing geschaffen. Doch Experten sehen die Veröffentlichung kritisch.
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Was ist Majorana 1 von Microsoft?
Der Quantenprozessor Majorana 1 ist laut Microsoft „die weltweit erste Quantum Processing Unit (QPU) mit einem topologischen Kern“. Die Basis des Chips sollen also topologische Qubits bilden, die wiederum den Kern eines Quantencomputers darstellen können.
Microsoft habe Majorana 1 so konzipiert, dass bis zu eine Million Qubits auf einem einzelnen Chip verbaut werden könnten. Gleichzeitig sei dieser nicht größer als aktuell verwendete Prozessoren.
Um das zu erreichen, kommen sogenannte Majorana-Partikel zum Einsatz. Mit Majorana 1 hat Microsoft nach eigenen Angaben erstmals einen Majorana-Zustand nachgewiesen. Dabei handelt es sich um einen neuen Materiezustand, der als Grundlage für die Entwicklung neuartiger und störungsresistenter Quantencomputer gilt.
Neben einer ausführlichen Pressemitteilung hat Microsoft seine Forschungsergebnisse auch in einem Fachartikel bei Nature veröffentlicht. Doch auch hier sind erste Zweifel an dem vermeintlichen Durchbruch zu finden. So heißt es im zugehörigen Peer Review File: „Das Redaktionsteam möchte darauf hinweisen, dass die Ergebnisse in diesem Manuskript keinen Beweis für das Vorhandensein von Majorana-Zuständen in den berichteten Bauelementen darstellen.“
Quantencomputer: Das Problem mit den Qubits
Quantenbits – oder kurz Qubits – sind bisher äußerst fehleranfällig und empfindlich, weshalb sie ihren Quantenzustand nur für den Bruchteil einer Sekunde halten können. Schon kleinste Störungen, wie beispielsweise durch Streulicht, können die Qubits beeinflussen und so Rechenfehler verursachen. Dieses Problem verstärkt sich immer weiter, je mehr Qubits verbaut sind – also je größer der Quantencomputer ist.
Bereits im Jahr 2019 hat Google seinen Quantencomputer „Sycamore“ vorgestellt. Dieser löste eine Rechenaufgabe innerhalb von dreieinhalb Minuten. Der schnellste Supercomputer hätte im Gegensatz dazu für diese Aufgabe rund 10.000 Jahre gebraucht.
Das Potenzial von Quantencomputern ist also enorm. Sie könnten Aufgaben lösen, die herkömmliche Computer niemals lösen könnten. So wäre es mit ihnen beispielsweise möglich, neue Medikamente oder Materialien zu entwickeln. Daher ist die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer für viele große Tech-Firmen und Wissenschaftler zu einem wahren Wettstreit geworden.
Kann Microsoft mit Majorana 1 stabile Qubits sicherstellen?
In der Vergangenheit konnten Tech-Giganten wie Google oder IBM bereits Geräte bis zu 1000 Qubits bestücken. Anfang 2023 beispielsweise vermeldete Google den erfolgreichen Einsatz von sogenannten logischen Qubits.
Hierbei werden mehrere Qubits zu einer logischen Einheit verbunden, was Rechenaufgaben sozusagen auf mehrere Schultern verteilt. Fällt bei einer Rechenaufgabe ein Qubits durch Störung aus und verliert seinen Quantenzustand, kann die logische Einheit dennoch weiter rechnen.
Microsoft hingegen geht einen anderen Weg – mit dem Ziel, ein „topologisches“ Qubit zu erzeugen. Da es sich hierbei um wesentlich robustere Qubits handelt, könnten Berechnungen so deutlich zuverlässiger durchgeführt werden. Denn die Qubits müssten nicht mehr so stark von äußeren Einflüssen abgeschirmt werden. Eine Möglichkeit, um ein solches topologisches Qubit zu erschaffen, bieten die beschriebenen Majorana-Zustände.
Misserfolge in der Forschung von Microsoft
Diese Majorana-Zustände konnten bislang jedoch nicht nachgewiesen werden. Denn obwohl Microsoft bereits hunderte Millionen US-Dollar in deren Entwicklung investiert hat, war die Forschung bisher eher von Misserfolgen geprägt.
Im Jahr 2017 hat der Tech-Gigant ein Forschungszentrum in der Nähe der Technischen Universität Delft eröffnet. Das Team des dort ansässigen QuTech-Institut veröffentlichte im März 2018 dann einen Artikel bei Nature, in dem es hieß, dass erstmals ein Majorana-Zustand nachgewiesen werden konnte.
Im Jahr 2020 jedoch machten die beiden Physiker und Ex-Mitarbeiter Sergey Frolov und Vincent Mourik darauf aufmerksam, dass die Ergebnisse nicht reproduzierbar sind. Leo Kouwenhoven, Leiter des QuTech-Instituts, musste schließlich Fehler bei der Auswertung seiner Forschungsergebnisse eingestehen. Im März 2021 zog er seinen Nature-Artikel daraufhin zurück.
Die Kritik an Microsoft und Majorana 1
Doch wie steht es nun wirklich um den Microsoft-Chip Majorana 1? Der Nachweis von Majorana-Zuständen schließlich ist nicht so einfach. Denn selbst wenn dieser erzeugt werden kann, ist der zweifelsfreie Nachweis eine weitere Stufe. Dafür müssten gleich mehrere Majorana-Zustände gleichzeitig erschaffen und miteinander vertauscht werden. Nur so kann nachgewiesen werden, dass das Vertauschen in ihrer Wellenfunktion ablesbar ist.
Die Forscher bei Microsoft sind so allerdings nicht vorgegangen. In ihrem Nature-Artikel beschreiben sie die Vorgehensweise mit einem supraleitenden Nanodraht aus Indiumarsenid. Während die Elektronen in Supraleitern immer Paare bilden, konnten die Forscher von Microsoft jedoch eine ungerade Anzahl an Elektronen messen. In der Theorie würde sich dieses überschüssige Elektron scheinbar aufspalten und an beiden Enden des Drahts eine Anregung auslösen – das wiederum würde einem Majorana-Zustand entsprechen.
Doch obwohl die Microsoft-Forscher ein zusätzliches Elektron im Nanodraht nachweisen konnten, gibt es Zweifel. In dem Nature-Artikel heißt es hierzu: „Diese Messungen allein sagen nichts darüber aus, ob die nachgewiesenen niederenergetischen Zustände topologisch sind.“
Wissenschaftler kritisieren Vorgehen von Microsoft
Physiker von der Universität Basel haben bereits im Mai 2024 nachgewiesen, dass das von Microsoft genutzte Protokoll, um Majorana-Zustände zu ermitteln, nicht einwandfrei funktioniert. Doch genau dieses wird auch in der aktuellen Veröffentlichung von Microsoft genutzt.
Experten kritisieren außerdem die Wahl der Gutachter für den Nature-Artikel. Denn darunter findet sich unter anderem der Physiker Hao Zhang, der in der Vergangenheit bereits zusammen mit Microsoft veröffentlicht hat. Außerdem war Zhang zuvor bereits als Co-Autor an Fachartikeln über Majorana-Zustände beteiligt, die jedoch wieder zurückgezogen wurden.
Auch der Physiker Sergey Frolov kritisiert die Wahl: „Dass Nature sich für Zhang als Gutachter entschieden hat, ist ein schwerer Fehler, der das Vertrauen in das Journal untergräbt“, wie er in einem Post bei Bluesky schreibt. In einem weiteren Beitrag bezeichnet er die Veröffentlichung von Microsoft als „Blamage“.
Auch der Physiker Christian Dickel von der Universität zu Köln äußert sich bei LinkedIn kritisch zu der Veröffentlichung. Er äußert Zweifel daran, dass „diese Arbeit es verdient, in der Zeitschrift Nature veröffentlicht zu werden“. „Die Beweise für eine tatsächliche topologische Phase sind bestenfalls dürftig. Es gibt definitiv noch kein topologisches Qubit.“
Neben der Wahl von Hao Zhang als Gutachter kritisiert er außerdem „die Art und Weise, wie Microsoft versucht, dieses Ergebnis zu vermarkten“. Die Vorgehensweise des Unternehmens sei „ehrlich gesagt peinlich, weil es verzweifelt wirkt“.
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