Microsoft Erfindet Einen Neuen Materiezustand Für den Majorana-1 Quantencomputer‑Chip

Neuer Materiezustand, um Quantencomputer zu skalieren

Es war in den letzten Monaten ein ereignisreicher Zeitraum für Fortschritte im Quantencomputing und die Unternehmen, die wir in “5 Beste Quantencomputing‑Unternehmen 2025” behandelt haben.

Es begann mit Googles Willow im Dezember 2024, möglicherweise dem ersten skalierbaren Quantenchip überhaupt. Es folgte die Meldung über das erste verteilte Quantencomputing über eine optische Netzwerkverbindung, das den Weg ebnete, Quantencomputer wie herkömmliche in dedizierten Servern zu vernetzen.

Jetzt ist Microsoft an der Reihe, mit der Vorstellung von Majorana 1, einem Chip, der einen völlig neuen Materiezustand für das Quantencomputing nutzt: Topokonduktoren.

Microsoft behauptet, Topokonduktoren könnten zuverlässigere und skalierbare Qubits erzeugen, die Bausteine von Quantencomputern.

Dieser völlig neue Weg für das Quantencomputing verändert radikal, wie Microsoft seine zukünftigen Quantencomputer bauen will, mit „einem klaren Pfad, eine Million Qubits auf einen einzigen Chip zu packen, der in die Handfläche passt.“

Was sind Topokonduktoren?

Es scheint, dass der Ursprung des Durchbruchs aus einem neuen Ansatz stammt, bei dem ein Transistor speziell für das Quantencomputing entwickelt wird, jenseits dessen, was bisher erreicht wurde.

„Wir haben einen Schritt zurück gemacht und gesagt: ‚Okay, lasst uns den Transistor für das Quantenzeitalter erfinden. Welche Eigenschaften muss er haben?‘

Und genau so sind wir hier gelandet – es ist die besondere Kombination, die Qualität und die wichtigen Details in unserem neuen Material‑Stack, die eine neue Art von Qubit und letztlich unsere gesamte Architektur ermöglicht haben.“

Chetan Nayak, Microsoft Technical Fellow

Topologische Supraleiter, beschrieben in dem entsprechenden in Nature veröffentlichten Papier¹ mit dem Titel “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices“, stellen einen Materiezustand dar, der sich von den bekannteren festen, flüssigen oder gasförmigen Zuständen unterscheidet, und sogar von exotischeren wie Plasma oder Bose‑Einstein‑Kondensat.

Der topologische Zustand war bis jetzt nur theoretisch, zuerst von Ettore Majorana (1906‑1938) postuliert, doch plötzlich scheint er nicht nur beobachtbar, sondern sogar kontrollierbar zu sein. Dieses Majorana‑Teilchen (auch Majorana‑Fermion genannt), ein Teilchen, das sein eigenes Antiteilchen ist, wurde 2024 erstmals von Microsoft‑Forschern beobachtet.

Majorana‑Teilchen ähneln in gewisser Weise Elektronen und könnten dazu verwendet werden, Quantendaten zu bewahren, die für Quantenberechnungen nützlich sind.

Dies war keineswegs ein über Nacht erzielter Erfolg, sondern das Ergebnis von mehr als 17 Jahren Forschung – Microsofts langfristigstes Forschungsprojekt, das bis jetzt ein gut gehütetes Geheimnis war.

Vereinfacht gesagt ist ein Topokonduktor ein Halbleiter, der sich auf atomarer und subatomarer Ebene in gewisser Weise wie ein Supraleitermaterial verhält.

Quelle: Microsoft

Die Realisierung erfolgte, indem man in einem Draht Indium‑Arsenid (ein Halbleiter) und Aluminium (ein Supraleiter) zusammenführte.

Quelle: Physical Review

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und abgestimmt mit Magnetfeldern bilden diese Bauelemente topologische supraleitende Nanodrähte, die sogenannte Majorana‑Null‑Moden (MZMs) an den Drahtenden enthalten.

Quelle: Microsoft

Ultra‑stabiler Quantenzustand

In einem „normalen“ Supraleiter kann jedes ungepaarte Elektron erkannt werden, weil seine Anwesenheit zusätzliche Energie erfordert. Das macht die Messung einfach, aber zugleich ist es sehr empfindlich gegenüber Rauschen und Störungen aus der Umgebung, was jede Quantenberechnung erschwert.

MZMs unterscheiden sich radikal, da ein ungepaartes Elektron zwischen einem Paar von MZMs geteilt wird und damit für die Umgebung unsichtbar ist. Diese einzigartige Eigenschaft der Majorana‑Teilchen schützt die Quanteninformation und macht sie ultra‑stabil und zuverlässig.

Unsichtbare Elektronen

Natürlich ist dies ideal, um den Quantenzustand stabil und nutzbar zu erhalten, erschwert jedoch jede tatsächliche Messung enorm – weshalb Majorana‑Teilchen ein Jahrhundert lang nur theoretisch waren, bis vor kurzem.

Während dies unsere Topokonduktoren zu idealen Kandidaten für Qubits macht, stellt es gleichzeitig eine Herausforderung dar: Wie lesen wir Quanteninformation, die so gut verborgen ist? Wie können wir beispielsweise zwischen 1.000.000.000 und 1.000.000.001 Elektronen unterscheiden?

Microsofts Lösung für dieses Problem nutzt Quantenpunkte, ein einzigartiges Material, das wir ausführlich in “Investing in Nobel Prize Achievements – Quantum Dots & Nanocolors” besprochen haben. Es lässt sich als winziges Halbleiter‑Bauelement beschreiben, das elektrische Ladung speichern kann.

Der Quantenpunkt wird am Ende des topologischen Nanodrahts platziert. Diese Verbindung erhöht die Fähigkeit des Punktes, Ladung zu halten. Entscheidend ist, dass die genaue Erhöhung vom Paritätszustand des Nanodrahts abhängt.

Quelle: Microsoft

Durch die Messung des Zustands der Quantenpunkte – ein gut verstandener Prozess mittels Mikrowellen – kann das System auch den sonst unsichtbaren Quantenzustand des Majorana‑Teilchens erfassen.

Quelle: Nature

Nicht nur ist die Messung möglich, sie ist selbst mit einem ersten Prototypen extrem zuverlässig, bevor weitere Optimierungen vorgenommen wurden.

Wir haben unsere Geräte so gestaltet, dass diese Änderungen groß genug sind, um zuverlässig in einem einzigen Durchlauf gemessen zu werden. Unsere ersten Messungen hatten eine Fehlerrate von 1 %, und wir haben klare Wege identifiziert, diese deutlich zu reduzieren.

Ultra‑zuverlässige Qubits

Damit ändert sich der Ansatz zur Messung von Quantenzuständen im Quantencomputing grundlegend.

Bisher erforderte dies die Rotation von Quantenzuständen durch präzise Winkel, was komplexe analoge Steuersignale für jedes Qubit nötig machte. Das machte die Fehlertkorrektur, die dieselbe Methode nutzte, extrem komplex, teuer und insgesamt weniger zuverlässig.

Stattdessen kann die von Microsoft entdeckte Methode Fehler einfach korrigieren, indem Quantenpunkte an den Nanodrähten ein‑ und ausgeschaltet werden, mittels eines digitalen Impulses.

Quelle: Microsoft

Wenn Sie interessiert sind, können Sie mehr über die Details der Entwicklung von Topokonduktoren in diesem langen Interview mit Dr. Chetan Nayak, dem Leiter dieses Microsoft‑Projekts, erfahren.

Inhärent skalierbare Architektur

Da das System in Bezug auf das Engineering (wenn nicht in der Teilchenphysik) wesentlich einfacher und zudem zuverlässiger und stabiler ist, lässt es sich natürlich leichter skalieren.

Die Grundkomponente wäre ein „Tetron“, bestehend aus 2 Nanodrähten, 4 MZMs und 4 Quantenpunkten, wodurch ein 2‑Qubit‑Gerät entsteht.

In Kombination mit einem weiteren kann ein grundlegendes Zwei‑Qubit‑Gerät gebildet werden, das eine Methode der Quantenberechnung unterstützt, die als “messbasierte Braiding‑Transformationen” bezeichnet wird.

Ein 4×2‑Array von Tetrons könnte Fehl­erkennung auf zwei logischen Qubits durchführen.

Quelle: Microsoft

Dieser Block könnte dann dutzende, hunderte oder letztlich tausende bzw. Millionen Mal repliziert werden, um einen massiven Quantencomputer zu bauen, der weitaus größer ist als alles, was bisher vorgestellt wurde.

Es ist vielleicht nicht überraschend, dass Quantenberechnung uns zwingt, einen neuen Materiezustand zu konstruieren, der speziell dafür ausgelegt ist.

Was bemerkenswert ist, ist wie genau unsere Lesetechnik bereits ist und damit zeigt, dass wir diesen exotischen Materiezustand für Quantenberechnungen nutzen.

Sie können sehen, wie der Majorana‑Chip in dieser Darstellung aussieht, beginnend beim Majorana‑Teilchen und endend mit dem gesamten Chip, der in einer Hand gehalten wird.

Schließlich ist der entscheidende Teil, der diese Technologie besonders skalierbar macht, wie klein die physischen Komponenten sind. Dadurch können mehr als eine Million physische Qubits in einen kleinen Chip integriert werden, den man in der Hand halten kann.

Quelle: Microsoft

Weitere Verbesserungen

Wie bereits erklärt, kann die noch vorhandene Fehlerrate von 1 % bei der Messung von Quantenpunkten und MZMs weiter gesenkt werden. Microsoft‑Forscher sehen bereits einen Weg, dies zu erreichen.

Da sich Fehler in der Berechnung gegenseitig verstärken, könnte eine Reduktion der Fehlerrate um das Zehnfache das letztlich nutzbare Rechenpotential deutlich erhöhen.

Ein weiterer Aspekt, der verbessert werden kann, ist die Gesamstabilität des Quantenzustands der Majorana‑Teilchen.

„Externe Energie – etwa elektromagnetische Strahlung – kann Cooper‑Paare zerbrechen und ungepaarte Elektronen erzeugen, die den Qubit‑Zustand von gerader zu ungerader Parität umschalten. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass dies selten vorkommt, im Schnitt nur einmal pro Millisekunde.“

Da das von Microsoft entwickelte System bereits beeindruckende Stabilität demonstriert, deutet dies darauf hin, dass die Abschirmung bereits gut funktioniert. Dennoch gibt es wahrscheinlich weitere Möglichkeiten, Interferenzen weiter zu reduzieren, die bereits untersucht werden.

Beschleunigung der Quantencomputing‑Revolution

Der nächste Schritt für Microsoft besteht darin, das 4×2‑Tetron‑Array über den ersten Prototyp hinaus zu bauen und im großen Maßstab zu testen.

Und dann das gesamte Acht‑Qubit‑Array zu nutzen, um die Quanten‑Fehlererkennung (QEC) auf zwei logischen Qubits anzuwenden.

Da die topologischen Qubits einen eingebauten Fehlerschutz besitzen, vereinfacht das die QEC erheblich. Darüber hinaus behauptet Microsoft, dass seine benutzerdefinierten QEC‑Codes den Overhead etwa um das Zehnfache im Vergleich zu dem vorherigen Stand‑der‑Technik‑Ansatz reduzieren.

Damit sind Majorana‑basierte Qubits nicht nur zuverlässiger, sie können schneller laufen und benötigen weniger physische Qubits, um ein logisches Qubit zu erzeugen.

(Logische Qubits sind die nützlichen Maßeinheiten für praktische Anwendungen, analog zu Prozessoren, die nach Operationen pro Sekunde gemessen werden und nicht nur nach der Anzahl ihrer Transistoren)

„Wir glauben, dass dieser Durchbruch es uns ermöglichen wird, einen wirklich bedeutenden Quantencomputer nicht in Jahrzehnten, wie manche prognostizieren, sondern in Jahren zu schaffen.“

Satya Nadella – CEO von Microsoft

Anwendungen

Wissenschaft

Microsofts Kommunikation rund um Majorana 1 konzentriert sich vor allem auf die wissenschaftlichen Ergebnisse, die damit erzielt werden können, insbesondere in Biologie und Materialwissenschaften.

Dies sind sehr wichtige Bereiche für das Quantencomputing, da von der Proteinfaltung bis zu komplexen Materialien für Batterien die Berechnung ihres Verhaltens auf atomarer Ebene extrem rechenintensiv ist und die aktuellen Supercomputer an ihre Grenzen bringt.

Skalierbare Quantencomputer könnten diese Probleme Millionen‑ bis Billionen‑mal effizienter simulieren und damit wahrscheinlich einen massiven Strom neuer Entdeckungen ermöglichen.

Dies geschieht nicht nur durch die Durchführung bislang unmöglicher Berechnungen, sondern auch durch das Vermeiden von Milliarden‑Dollar‑aufwändigen, erschöpfenden experimentellen Suchen und Laborversuchen.

Unter den unzähligen Möglichkeiten wurden von Microsoft einige genannt:

• Selbstheilende Materialien, die Risse in Brücken reparieren.
• Nachhaltige Landwirtschaft.
• Sicherere chemische Entdeckungen.

In einem einstündigen Interview erklärte der CEO von Microsoft, dass aus seiner Sicht das entscheidende Kriterium für die Leistungsfähigkeit von Quantencomputing und KI das globale Wirtschaftswachstum sei.

„Der wahre Maßstab ist, ob die Welt mit 10 % wächst“, mehr als jede andere Kennzahl.

Satya Nadella – CEO von Microsoft

Kryptografie & Verteidigung

Quantencomputer haben das Potenzial, fast alle derzeit genutzten Verschlüsselungsmethoden zu knacken, einschließlich solcher für militärische Kommunikation, Nuklear‑Codes, Banküberweisungen usw.

Daher ist es für die US‑Regierung (und alle anderen Großmächte) von entscheidender Bedeutung, nicht von Fortschritten im Quantencomputing überrascht zu werden.

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hat Microsoft als eines von zwei Unternehmen ausgewählt, die in die Endphase ihres rigorosen Benchmark‑Programms namens Underexplored Systems for Utility‑Scale Quantum Computing (US2QC) (das andere Unternehmen ist das photonische Quantencomputing PsiQuantum)

US2QC brachte Experten von DARPA, dem Air Force Research Laboratory, dem Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, dem Los Alamos National Laboratory, dem Oak Ridge National Laboratory und dem NASA Ames Research Center zusammen.

Quantencomputing und Majorana‑Teilchen‑Unternehmen

Microsoft

Während Microsoft vor allem für seine starke Präsenz im Betriebssystem‑Bereich mit Windows bekannt ist, ist das Unternehmen auch ein Gigant in vielen anderen Technologiefeldern.

Beispielsweise ist es führend bei Business‑Lösungen, darunter Office (Outlook, Word, Excel und PowerPoint), aber auch Unternehmenskommunikation (Teams), cloud‑basierter Speicher (OneDrive), Visio (Diagramme, Charts), Loop (kollaborativer Arbeitsbereich) und Access (Datenbank).

Obwohl es nicht der Marktführer im Cloud‑Dienst‑Segment ist (dominiert von Amazons AWS), deckt Microsoft mit seiner Azure‑Plattform rund 20 % der globalen Cloud‑Infrastruktur ab – so groß wie die kombinierten Anteile von Google + Alibaba + Oracle.

Quelle: Statista

Microsoft ist zudem Eigentümer von LinkedIn, GitHub, Xbox und vielen der weltweit größten Videospiel‑Studios.

Quelle: Microsoft

Im Bereich KI hat Microsoft den Fokus stärker auf technische Anwendungsfälle und Business‑Applikationen gelegt als auf Verbraucher‑Apps, insbesondere mit dem AI4Science‑Programm, das KI für wissenschaftliche Forschung bereitstellt.

Dazu gehört beispielsweise, die Arbeit von Materialwissenschaftlern zu beschleunigen, indem neue Moleküle oder Batterielektroden entworfen werden, wobei eine KI 32 Millionen potenzielle Materialien auf 500 000 Kandidaten und schließlich auf 800 in weniger als 80 Stunden eingrenzt.

Quelle: Microsoft

Unternehmen wie Unilever nutzen bereits diese „Generative Chemistry“, um ihre wissenschaftlichen Entdeckungen zu beschleunigen.

Bislang schien Microsoft im Quantencomputing im Vergleich zu Google oder IBM hinterherzuhinken; das Unternehmen bot Quanten‑Cloud‑Dienste über Azure Quantum an. Der Service kann zudem „Hybrid‑Computing“ bereitstellen, also Quantencomputing mit traditionellem, cloud‑basiertem Supercomputer‑Dienst kombinieren.

Quelle: Microsoft

Jetzt, da die bahnbrechende Hardware, die Majorana‑Teilchen nutzt, enthüllt wurde, verändert das die tatsächliche Position des Unternehmens grundlegend.

Weit entfernt vom Hinterherhinken, hat Microsoft lediglich seine großartige Ankündigung verfeinert und die Software sowie Anwendungsfälle aufgebaut, die seine Industriekunden mit skalierbaren Quantencomputern nutzen werden.

Dies ist ein radikaler Wandel für ein Unternehmen, das bisher vor allem auf Software statt Hardware setzte, mit Ausnahme der Xbox‑Konsole.

Und ein Wandel, der extrem profitabel sein könnte, falls sich herausstellt, dass das Majorana‑Teilchen der Schlüssel zu skalierbaren und ultra‑leistungsfähigen Millionen‑Qubit‑Quantencomputern ist und damit weiteres Wachstum für ein bereits riesiges Unternehmen ermöglicht.

(Sie können auch unseren Artikel lesen, der Microsoft als Ganzes detaillierter beleuchtet, über das Quantencomputing hinaus, um das Unternehmen besser zu verstehen.

Studienreferenz:

^{1. Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. (2025) Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices. Nature 638, 651–655. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2}