Topologische Qubits sind eine vielversprechende Hardware‑Alternative, die intrinsische Fehlerresistenz verspricht. Statt Informationen in empfindlichen Zuständen abzulegen, kodieren topologische Ansätze Qubits in globalen Eigenschaften eines Systems, die gegen lokale Störungen robust sind. Sie basieren häufig auf exotischen Quasiteilchen wie Majorana‑Fermionen, die in Festkörperstrukturen auftreten könnten.
Majorana‑Fermionen und topologische Zustände
Majorana‑Fermionen wurden 1937 von Ettore Majorana vorhergesagt und sind besondere Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind. In Festkörpern können sogenannte Majorana‑Nullmoden als quasiteilchenartige Zustände in topologischen Supraleitern auftreten. Durch die Verwendung von Halbleiter‑Nanodrähten mit starker Spin‑Bahn‑Kopplung, die an s‑Wellen‑Supraleiter gekoppelt sind, lassen sich Zustände erzeugen, in denen Majorana‑Moden an den Drahtenden lokalisiert sind. Ihre nicht‑abelsche Statistik bildet die Grundlage für topologische Quantencomputer.
Topologische Qubits und Braiding
Ein topologisches Qubit besteht in der Regel aus einem Paar von Majorana‑Moden, die gemeinsam einen quantenmechanischen Zustandsraum definieren. Anstatt die Zustände direkt zu messen, werden Quanteninformationen durch das vertauschen (Braiding) der Majoranas manipuliert. Diese Austauschoperationen erzeugen robuste Gatter, da die resultierende Phasenverschiebung nur von der topologischen Ordnung abhängt. Microsofts „Station Q“ und andere Forschungsgruppen arbeiten an Experimenten, um solche Braiding‑Operationen in Halbleiter‑Nanodrähten und topologischen Isolatoren nachzuweisen.
Vorteile und Herausforderungen
Topologische Qubits bieten den Vorteil, dass sie intrinsisch gegen lokale Störungen geschützt sind. Dies könnte den Bedarf an aufwändiger Fehlerkorrektur reduzieren und die Skalierbarkeit verbessern. Gleichzeitig sind die Anforderungen an Materialqualität und experimentelle Kontrolle hoch: Es ist schwierig, die Existenz von Majoranas zweifelsfrei zu beweisen, und die Herstellung topologischer Supraleiter erfordert fein abgestimmte Nanostrukturen und sehr niedrige Temperaturen. Darüber hinaus ist der Satz verfügbarer Gatter durch reine Braiding‑Operationen begrenzt, weshalb oft Zusatzelemente notwendig sind.
Ausblick
Obwohl topologische Qubits sich noch im Forschungsstadium befinden, gibt es weltweit zahlreiche Projekte, die Technologie vorantreiben. Neben Nanodraht‑Systemen werden auch Quanten-Hall-Zustände und Eisen-basierten Supraleiter als Plattformen untersucht. Langfristig könnten topologische Qubits mit oder spinbasierten Qubits kombiniert werden, um fehlerresistente Quantencomputer zu realisieren.