Majorana-gebaseerde kwantumcomputer komt nu echt, claimt Microsoft

Microsoft zegt een historische doorbraak te hebben bewerkstelligd in de opzet voor de hardware van kwantumcomputers. Het majoranadeeltje speelt daarbij opnieuw een belangrijke rol in het maken van veel stabielere qubits.

Thijs DoorenboschMeer van deze auteur

Microsoft Quantum Materials Lab — © Microsoft

Microsoft

De meeste kwantumcomputers voor generieke toepassingen -zoals die waar IBM, Honeywell en Google het verst mee zijn gevorderd- zijn gebaseerd op zogeheten gate-gebaseerde kwantumcomputing. Een groot struikelblok daarbij is de stabiliteit van de qubits - het kwantumalternatief voor een bit in een traditionele computer- en het aantal qubits dat samen kan werken om een berekening uit te voeren. Om te compenseren voor de instabiliteit moeten er om één betrouwbare -of logische- qubit te maken, vele tientallen fysieke qubits samenwerken. En tot nog toe is het niet gelukt om meer dan fysieke 130 qubits in een systeem samen te brengen. Hoewel onderzoek daar steeds verbeteringen in brengt, vormen deze beperkingen een serieus obstakel voor de invulling van de beloften van de kwantumcomputer.

Topologische qbits

Microsoft zegt nu een alternatief in handen te hebben in de vorm van 'topologische qubits'. Die zijn kleiner, sneller en veel minder gevoelig voor verlies aan informatie. Twintig jaar heeft het Azure Quantum team vruchteloos gezocht naar de onderliggende kwantumfysische technologie die de basis daarvoor moet vormen. Nu is dat gelukt, zegt Chetan Nayak, de leider van het kwantumhardware-programma. "We hebben nu apparatuur gemaakt die deze topologische fase kan produceren en laat zien dat we een zeer getalenteerd team hebben dat in staat is ook de volgende kritieke stappen de baas te worden."

De topologische qubits hebben een ingebouwde bescherming tegen invloeden van buitenaf waar gate-gebaseerde qubits wel mee te maken hebben, zoals elektromagnetische straling, subatomaire deeltjes uit de ruimte en warmte. Doordat er geen complex controlesysteem nodig is, kan met veel minder qubits al betrouwbare berekeningen worden uitgevoerd en optimaal gebruik gemaakt worden van de kwantumfysische eigenschappen zoals superpositie, verstrengeling (entanglement) en interferentie om specifieke vraagstukken op te lossen.

Majorana-deeltjes

Het majorana-deeltje ook wel majorana-fermion genoemd, is een van de deeltjes waaruit atomen zijn opgebouwd. Een fermion kenmerkt zich door een 'halftallige spin'' dus s=1/2, s=3/2, s=5/2, etc. De tegenhanger is een boson die altijd een heeltallige spin heeft. Volgens de natuurkunde heeft elk elementair deeltje zijn eigen anti-deeltje. Een majorana-deeltje is een fermion dat zijn eigen antideeltje is en onderscheidt zich daarmee van andere fermionen die nooit hun eigen antideeltje zijn.
Nu zijn er ook quasideeltjes die heel verwarrend ook majorana-deeltjes worden genoemd. Een quasideeltje is een bundeling van deeltjes die zich gedragen als een enkel majoranadeeltje. Het zijn allemaal uitkomsten van het theoretische werk van de Italiaan Ettore Majorana dat hij in 1937 presenteerde. Pas nu kan het theoretisch bewijs ook in praktijk worden aangetoond.

Het zijn de quasi-deeltjes die gebruikt worden als de stabielere kwantumbits (qubits). Onder onder invloed van magnetische velden kunnen aan het oppervlak van supergeleidende draden dergelijke Majorana-deeltjes worden gevormd.

Die bescherming is het gevolg van het gebruik van een tweetal 'majorana zero nodes' die ruimtelijk van elkaar gescheiden zijn. De informatie die daarin is opgeslagen, kan niet verstoord worden door de inwerking van uitwendige invloeden op een van beide nodes. De enige manier om de informatie vrij te maken is door tegelijkertijd te kijken naar de gecombineerde status van beide majorana zero nodes. Door dat op een slimme manier te doen is het mogelijk zowel bewerkingen uit te voeren op de informatie en deze toch tegelijk te beschermen tegen verval.

De wetenschappers hebben nu aangetoond dat het mogelijk is een opstelling te bouwen die aan de voorwaarden voldoet om zo'n paar 'majorana zero nodes' te vormen en te bewerken. Daarvoor worden met extreme precisie semi- en supergeleidende materialen in laagjes aangebracht waarbij op het einde van twee nanodraadjes onder de juiste omstandigheden met magnetische velden en voltages de twee 'majorana zero nodes' ontstaan met daartussen een meetbare afstand.

Exit TUDelft?

Hoewel Microsoft aan de TU Delft een lab heeft dat onder leiding van hoogleraar Leo Kouwenhoven werkt aan toepassingen van het majoranadeeltje, lijkt de rol daarvan uitgespeeld. Kouwenhoven is deze maand vertrokken bij Microsoft. Het belangrijke werk aan het succes dat Microsoft nu claimt, vond plaats in het Station Q-lab in Santa Barbara en in het Copenhagen Quantum Materials Lab. Volgens de Innovation Story die Microsoft hierover schreef, zijn er genoeg checks gedaan op de uitkomsten van het onderzoek zodat een terugtrekking van een Nature-artikel over de eerdere claim met 'majorana zero nodes' niet aan de orde is.

Twijfel blijft

Hoewel Microsoft stellig is in de beweringen, toonde kwantumhoogleraar Christian Schönenberger van de Universiteit Basel zich vanmorgen in De Volkskrant nog niet overtuigd. "Ik zou heel voorzichtig zijn met de interpretatie hiervan. Majorana’s zijn heel moeilijk te bewijzen.‘’ Het werk dat in de Microsoft-laboratoria is uitgevoerd, is nog nergens in een wetenschappelijke publicatie verschenen en daarmee niet te controleren.

Microsoft denkt echter al aan de toekomst. De verdere uitwerking van het concept is nog steeds geen eenvoudige klus, maar het grootste wetenschappelijk vraagstuk is nu uit de weg geruimd, zegt het team. De uitdagingen die nu voor hen liggen, vormen beter bekend terrein.