Was ist der topologische Zustand, der vierte Aggregatzustand, den Microsoft angeblich erreicht hat?

Microsoft hat mit der Einführung seines Majorana-1-Chips, der auf topologischer Supraleitung basiert, einen großen Durchbruch in der Entwicklung des Quantencomputers angekündigt .

Dieses Gerät verwendet sogenannte Majorana-Fermionen, um die Stabilität von Quanten-Qubits zu verbessern und so Fehler und externe Störungen deutlich zu reduzieren. Der Schlüssel zu diesem Fortschritt liegt in der Nutzung eines exotischen Materiezustands, des sogenannten topologischen Zustands.

Der topologische Zustand der Materie hat aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften das Interesse von Wissenschaftlern und Technikern geweckt und könnte nicht nur die Quanteninformatik, sondern auch die Elektronik und Materialphysik revolutionieren. Aber was genau ist dieser Zustand und warum ist er so wichtig?

Das Konzept eines topologischen Materiezustands stammt aus der Topologie, einem Zweig der Mathematik, der sich mit den Eigenschaften von Objekten befasst, die bei kontinuierlichen Verformungen wie Dehnung oder Verdrehung unverändert bleiben, solange sie nicht brechen oder verschmelzen. In der Materialphysik beschreibt die Topologie, wie robust bestimmte elektronische Eigenschaften gegenüber Störungen oder Verunreinigungen sein können.

Ein Material in einem topologischen Zustand hat eine wesentliche Eigenschaft: Während sich sein Inneres wie ein Isolator verhält, können seine Ränder oder Oberflächen Strom ohne Widerstand leiten. Diese Besonderheit ist auf die elektronische Struktur des Materials zurückzuführen, die die Randzustände vor äußeren Störungen schützt und so ein stabiles und hocheffizientes Fahren gewährleistet.

Die Erforschung topologischer Materiezustände erhielt 2016 einen großen Schub, als die Physiker David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz für ihre Forschungen zu topologischen Phasenübergängen den Nobelpreis für Physik erhielten. Ihre Erkenntnisse halfen zu verstehen, wie bestimmte Phasen der Materie unter extremen Bedingungen, etwa bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, auftreten können.

Eines der bemerkenswertesten Phänomene auf diesem Gebiet ist der Quanten-Hall-Effekt, bei dem eine Metallfolie, die bei extrem niedrigen Temperaturen einem Magnetfeld ausgesetzt ist, an ihren Rändern eine quantisierte elektrische Leitfähigkeit aufweist, während sie im Inneren isolierend bleibt. Dieses Phänomen war für die Entwicklung fortschrittlicher elektronischer Geräte von grundlegender Bedeutung.

Quantencomputer haben das Potenzial, Probleme zu lösen, die für herkömmliche Computer unlösbar wären. Eine der größten Herausforderungen stellt jedoch die Stabilität der Qubits dar, da diese äußerst empfindlich auf äußere Störungen reagieren, die zu Berechnungsfehlern führen können.

Hier spielen topologische Zustände eine entscheidende Rolle. Topologische Supraleitung, wie sie beispielsweise im Majorana-1-Chip von Microsoft zum Einsatz kommt, kombiniert die Fähigkeit bestimmter Materialien, Strom ohne Widerstand zu leiten, mit der Robustheit topologischer Zustände. Infolgedessen sind in diesem Zustand erzeugte Qubits von Natur aus stabiler und weniger anfällig für einen Verlust der Quantenkohärenz.

Microsoft ist es gelungen, topologische supraleitende Nanodrähte herzustellen, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt funktionieren. Damit ist ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung praktischer und skalierbarer Quantencomputer getan.

Die Entdeckung und Anwendung des topologischen Zustands der Materie eröffnet neue Möglichkeiten in vielen Bereichen, von der Elektronik bis zur Quanteninformatik. Da Unternehmen wie Microsoft auf diese Technologie setzen, sieht die Zukunft des Quantencomputings rosiger aus als je zuvor. Mit fortschreitender Forschung werden wir in den kommenden Jahren wahrscheinlich überraschende neue Anwendungen dieses Materiezustands erleben.