Chinesische Wissenschafter erzielen Durchbruch bei Quantum Computing

Chinesische Physiker haben ein groß angelegtes, geordnetes und abstimmbares Gitter von Majorana-Nullmodi, eines der außergewöhnlichsten Phänomene in der Physik der kondensierten Materie, geschaffen, hieß es in einer in der Wissenschaftszeitschrift „Nature“ veröffentlichte Studie.

Die Forschung kann demnach den Weg für zuverlässigere und fehlertolerantere Quantencomputer ebnen, die Entdeckungen in Bereichen wie Medizin, Chemie und Materialwissenschaft ermöglichen. Die Entwicklung eines Quantencomputers, der den Majorana-Nullmodus nutze, stecke jedoch noch in den Kinderschuhen, so die Forscher. Daher könnte es noch Jahrzehnte dauern, bis seine Machbarkeit und Praxistauglichkeit ausgereift seien.

Der renommierte italienische Physiker Ettore Majorana stellte im Jahr 1937 die Hypothese der Existenz eines bestimmten Teilchens auf, das später Majorana-Fermion genannt wurde. Diese Elementarteilchen könnten zugleich ihr eigenes Antiteilchen sein, so der italienische Wissenschaftler. Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen zusammenstoßen, zerstören sie sich normalerweise gegenseitig und setzen eine große Menge Energie frei, aber das Majorana-Fermion ist eine Ausnahme von dieser Regel.

Nach mehr als acht Jahrzehnten haben Wissenschaftler das Majorana-Teilchen im Universum noch immer nicht gefunden. Forscher der Physik der kondensierten Materie haben eigenen Angaben zufolge jedoch entdeckt, dass die Analogie des Majorana-Fermions in gewissem Maße in Supraleitern in Form des Majorana-Nullmodus existieren kann.

Gao Hongjun, stellvertretender Präsident der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagt, der Majorana-Nullmodus sei ein aufregendes und sich rasch entwickelndes Gebiet in der Physik der kondensierten Materie, da er das Potenzial habe, die Quantenberechnung zu revolutionieren.

Eine der größten technischen Herausforderungen bei Quantencomputern ist die Dekohärenz, also gewisse externe Störungen, die die empfindlichen Quantenzustände von Qubits – der Grundeinheit der Information für die Speicherung und Berechnung in Quantencomputern, ähnlich wie die binären Zahlen Eins und Null in herkömmlichen Computern – stören und zur Entstehung und Anhäufung von Fehlern führen. Das Faszinierende an den Majorana-Nullmodi ist, dass sie von Natur aus resistent gegen Dekohärenz sind und bei der Datenverarbeitung durch künftige Quantencomputer eine deutlich niedrigere Fehlerrate aufweisen würden als Qubits, die mit anderen Methoden erzeugt wurden.

Gao Hongjun bezeichnete die neuen Forschungsergebnisse als einen Meilenstein, da sie im Wesentlichen den ersten soliden Schritt in Richtung eines topologischen Quantencomputers darstellten.

Indem sie einen Supraleiter aus Eisen, Lithium und Arsen in Magnetfeldern und bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) platzierten, entdeckten die chinesischen Physiker, dass sie ein geordnetes Gitter mit Majorana-Nullmodi auf dem Probenmaterial erzeugen konnten.

Su Gang, der Direktor des Büros für Grenzwissenschaften und Bildung an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagt, noch vor wenigen Jahren hätte es einen enormen Aufwand bedeutet, auch nur einen einzigen Majorana-Nullmodus zu erzeugen. Jetzt seien die Wissenschaftler in der Lage, sie reihenweise zu erzeugen und so die Wechselwirkungen dieser schwer fassbaren physikalischen Phänomene zu untersuchen.