FAQ zu Microsofts topologischem Qubit

• Autor des Beitrags: Scott Aaronson, ein renommierter Informatiker auf den Gebieten Berechnungskomplexitätstheorie und Quantencomputing; Autor des Buchs „Scott Aaronsons Vorlesungen zum Quantencomputing“

Q1. Haben Sie Microsofts Ankündigung gesehen?

A. Ja, habe ich. Man muss mich nicht allzu oft danach fragen! Microsofts Chetan Nayak hat mich vor ein paar Wochen persönlich gebrieft, und ich habe mich dazu auch bereits im BBC World Business Report und in der MIT Technology Review geäußert.

Q2. Was ist ein topologisches Qubit?

A. Ein spezielles Qubit, das mithilfe von nichtabelschen Anyonen (Nonabelian anyons) erzeugt wird.

• Anyonen sind teilchenartige Anregungen (excitations), die in zweidimensionalen Medien existieren können, und weder Fermionen noch Bosonen sind.
• Sie wurden Ende der 1990er Jahre theoretisch von Alexei Kitaev, Michael Freedman und anderen untersucht.
• Allerdings sind sie viel schwerer herzustellen und zu kontrollieren als gewöhnliche Qubits.

Q3. Warum ist ein topologisches Qubit wichtig?

A. Ein topologisches Qubit könnte widerstandsfähiger gegen Dekohärenz (Quantum Decoherence) sein.

• Bei gewöhnlichen Qubits müssen Fehler softwareseitig korrigiert werden (Quantum Error Correction).
• Topologische Qubits haben eine Struktur, in der Fehler physikalisch schwerer auftreten können.
• Das heißt: Solange das Verdrillen (braiding) der nichtabelschen Anyonen nicht verändert wird, treten keine Fehler auf.
• Weil sie auf Hardware-Ebene fehlertoleranter sind, verringert sich der Aufwand für softwareseitige Korrektur.

Q4. Hat Microsoft als Erstes ein topologisches Qubit gebaut?

A. Microsoft behauptet das.

• Allerdings wurde in den Review-Unterlagen des Journals Nature eine wichtige Formulierung gefunden:

  „Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen nicht die Existenz eines Majorana zero mode in dem berichteten Gerät.“

• Mit anderen Worten: Microsoft behauptet, ein topologisches Qubit gebaut zu haben, aber im Peer Review von Nature ist das noch nicht anerkannt.

Q5. Hat Microsoft nicht schon 2018 behauptet, experimentell einen Majorana zero mode erzeugt zu haben, und das dann zurückgezogen?

A. Stimmt.

• Deshalb bleiben einige Fachleute bei dieser Ankündigung weiterhin vorsichtig.
• Als ich Chetan Nayak nach der Glaubwürdigkeit fragte, antwortete er: „Jetzt haben wir ein vollständig funktionierendes topologisches Qubit. Was wollen Sie noch mehr?“

Q6. Ist diese Ankündigung ein bedeutender wissenschaftlicher Erfolg?

A. Wenn die Behauptung stimmt, wäre das ein großer Meilenstein für topologisches Quantencomputing und die Physik.

• Die Zahl der topologischen Qubits, mit denen bisher experimentell gearbeitet wurde, steigt damit von 0 auf 1.
• Man könnte auch sagen, dass ein neuer Materiezustand (a new state of matter) geschaffen wurde.
• Ironischerweise handelt es sich dabei jedoch um einen Zustand, der in der Natur nicht gefunden wird und nur im Journal Nature existiert.

Q7. Ist das tatsächlich nützlich?

A. Noch nicht!

• Trauen Sie niemandem, der behauptet, mit 1 Qubit oder 30 Qubits schon nützliche Berechnungen durchführen zu können.
• Microsoft behauptet das ebenfalls nicht.
• Für die Diskussion, wofür Quantencomputer in Zukunft tatsächlich nützlich sein könnten, kann man die Archivbeiträge dieses Blogs aus den letzten 20 Jahren nachlesen.

Q8. Beweist diese Ankündigung, dass topologische Qubits die Zukunft des Quantencomputings sind?

A. Noch ist das nicht bewiesen.

• Wenn Microsofts Behauptung stimmt, dann haben topologische Qubits ungefähr das Niveau gewöhnlicher Qubits von vor 20 bis 30 Jahren erreicht.
• Google, IBM, Quantinuum, QuEra arbeiten experimentell bereits mit Dutzenden bis Hunderten verschränkten Qubits.
• Damit topologische Qubits erfolgreich sind, müssen sie deutlich zuverlässiger sein als bestehende Ansätze.
• Wie Transistoren die Vakuumröhre ersetzt haben, müssten sie gegenüber den bisherigen Verfahren einen überwältigenden Vorteil bieten, aber ob das der Fall ist, ist noch unklar.

Q9. Gibt es außer Microsoft noch Unternehmen, die an topologischen Qubits forschen?

A. Kaum.

• Microsoft ist faktisch das einzige große Unternehmen.
• Nokia Bell Labs und die Technische Universität Delft in den Niederlanden forschen ebenfalls daran, aber in kleinerem Maßstab.
• Trotzdem ist es interessant, dass es ein Unternehmen gibt, das den topologischen Ansatz bis zum Ende verfolgt.

Q10. Kann Microsoft in ein paar Jahren eine Million topologische Qubits bauen?

A. In PR und populärwissenschaftlichen Artikeln vielleicht?

• Realistisch betrachtet ist „in ein paar Jahren“ aber übertrieben optimistisch.
• Ich wünsche Microsoft und seinen Wettbewerbern viel Glück, und die kommende Zeit dürfte spannend werden.
• Vorausgesetzt natürlich, dass wir bis dahin weiterhin eine zivilisierte Gesellschaft aufrechterhalten können ...

[xguru]

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