Quantencomputer versprechen eine Revolution in der Rechentechnologie, doch ihre praktische Anwendung wird durch die hohe Empfindlichkeit von Qubits gegenüber äußeren Einflüssen, die zu Fehlern in Berechnungen führen, eingeschränkt. Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die topologische Quantenberechnung, bei der Informationen in den geometrischen Eigenschaften von Teilchen, wie Majorana-Fermionen, kodiert werden. Allerdings können Majorana-Fermionen nur eine begrenzte Anzahl von logischen Operationen durchführen, was die Schaffung eines universellen Quantencomputers behindert.
Eine aktuelle Studie einer Gruppe von Wissenschaftlern der University of Southern California unter der Leitung von Professor Aaron Lauda schlägt eine Lösung für dieses Problem vor. Die Forscher fügten dem System der Majorana-Fermionen ein neues Teilchen hinzu, das sie „Neglekton“ nannten – abgeleitet vom englischen „neglect“ für „ignorieren“ oder „vernachlässigen“. Diese Teilchen wurden zuvor als mathematisches Rauschen betrachtet, da sie eine „Null-Quantenspur“ aufweisen und nicht in physikalische Modelle einbezogen wurden.
In Verbindung mit Majorana-Fermionen ermöglichen Neglektone jedoch die Realisierung des vollständigen Satzes logischer Operationen, der für einen universellen Quantencomputer erforderlich ist. In ihrer Arbeit demonstrierten die Wissenschaftler, dass die Hinzufügung von nur einem Neglekton zum System der Majorana-Fermionen die Universalität von Quantenberechnungen erreichen kann. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung stabilerer und effizienterer Quantencomputer, die in der Lage sind, eine breite Palette von Rechenproblemen zu lösen.
Die Forschung von Aaron Lauda und seinem Team, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, hebt hervor, dass diese „vernachlässigten“ Teilchen, die zuvor als mathematische Kuriositäten abgetan wurden, nun als entscheidendes Element für die Ermöglichung universeller Quantenberechnungen durch das „Braiding“ (Verschlingen) von Anyonen identifiziert wurden. Die Herausforderung der Nicht-Unitariät, die durch die Einbeziehung von Neglektone entstand, wurde durch clevere Workarounds gelöst, die sicherstellen, dass die Berechnungen in mathematisch stabilen Bereichen stattfinden.
Zuvor, im Februar 2025, zeigten schwedische Wissenschaftler, dass Informationen durch magnetische Wellenbewegungen in komplexen Netzwerken übertragen werden können, was zur Schaffung effektiver, energieeffizienter Computersysteme zur Lösung komplexer Optimierungsprobleme führte. Die Entdeckung der Rolle von Neglektone in Quantenberechnungen ist somit ein bedeutender Schritt in Richtung der Schaffung universeller Quantencomputer, die die Lösung komplexer Rechenaufgaben erheblich beschleunigen können. Die Arbeit von Lauda und seinem Team, die auf der nicht-semisimple topologischen Quantenfeldtheorie basiert, bietet einen klaren Weg für experimentelle Physiker, diese Teilchen in Systemen wie dem fraktionierten Quanten-Hall-Zustand oder topologischen Supraleitern zu suchen und zu realisieren, um das volle Potenzial von Ising-Anyonen zu erschließen.