Quantencomputer versprechen eine technologische Revolution, doch die extreme Fragilität von Qubits stellt eine erhebliche Hürde für ihre praktische Anwendung dar. Forscher der University of Southern California (USC) haben eine neuartige Lösung entdeckt, indem sie mathematische Elemente, die zuvor als wertlos galten, wiederbelebt haben. Diese „Neglectons“ könnten die Quantentechnologie zu einer stabilen und universellen Computerrevolution führen.
Quantencomputer nutzen das Prinzip der Quantensuperposition, bei dem ein Qubit gleichzeitig die Zustände 0 und 1 annehmen kann, was ihnen theoretisch eine immense Rechenleistung verleiht. Diese Überlegenheit bleibt jedoch oft theoretisch, da Qubits äußerst anfällig für Umwelteinflüsse wie Vibrationen, Temperaturschwankungen oder magnetische Felder sind, die ihren empfindlichen Quantenzustand zerstören können. Ein vielversprechender Ansatz ist das topologische Quantencomputing, das auf Anyonen basiert. Anyonen, die nur in zweidimensionalen Systemen existieren, kodieren Informationen durch ihr „Flechtmuster“, was sie intrinsisch widerstandsfähiger gegen Störungen macht. Insbesondere Ising-Anyonen sind für ihre Fähigkeit bekannt, Quanteninformationen durch einfache Flechtmuster zu speichern und zu manipulieren.
Ein wesentlicher Nachteil der Ising-Anyonen ist jedoch, dass sie nicht alle für universelles Quantencomputing notwendigen Berechnungen durchführen können. Dies wurde mit einer Tastatur verglichen, die nur die Hälfte der Tasten besitzt. Die Lösung für dieses Problem fand sich in der Theorie der nicht-semisimple topologischen Quantenfeldtheorien. Dieses abstrakte mathematische Feld, das sich mit Symmetrien in komplexen Objekten befasst, postuliert, dass durch das Verständnis von Symmetrien die Existenz neuer, unbekannter Teilchen vorhergesagt werden kann. Traditionell werden Elemente mit einer Dimension von Null als physikalisch uninteressant verworfen. Das Team um Professor Aaron Lauda von der USC hat diese Konvention hinterfragt und eine neue Methode entwickelt, um diesen „wertlosen“ Elementen Bedeutung zu verleihen. Durch diese Neudefinition entstanden die „Neglectons“.
Die entscheidende Entdeckung des Teams ist, dass die Hinzufügung eines einzigen Neglectons zu einem System von Ising-Anyonen dessen Fähigkeiten radikal verändert. Mit dieser scheinbar geringfügigen Ergänzung werden die Anyonen fähig, jede Quantenberechnung durch einfache Manipulation ihrer Verschränkungen durchzuführen. Die bisher unvollständige Tastatur wird dadurch universell, was den Weg für voll funktionsfähige topologische Quantencomputer ebnet. Diese neu gewonnene Universalität bewahrt die inhärenten Vorteile der Anyonen – ihre natürliche Widerstandsfähigkeit gegen Rauschen und ihre Stabilität gegenüber externen Störungen – und erweitert sie auf ein unbegrenztes Anwendungsspektrum. Die Forschung wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Diese bahnbrechende Entdeckung garantiert zwar nicht die sofortige Verfügbarkeit topologischer Quantencomputer, da die Erzeugung und Manipulation von Anyonen in realen Materialien weiterhin eine erhebliche technologische Herausforderung darstellt, eröffnet sie jedoch eine revolutionäre Perspektive. Anstatt nach exotischen Materialien oder beispiellosen Teilchen zu suchen, könnten Ingenieure nun bekannte Systeme unter einem neuen mathematischen Licht nutzen. Die Neglectons sind ein Paradebeispiel dafür, wie ein scheinbar esoterischer theoretischer Ansatz zu transformativen praktischen Anwendungen führen kann. Durch die Rehabilitierung vergessener mathematischer Elemente haben Forscher möglicherweise den Schlüssel zur endgültigen Realisierung der Versprechen des Quantencomputings gefunden.