Wat is de topologische toestand, de vierde toestand van materie die Microsoft zou hebben bereikt?

Microsoft heeft een belangrijke doorbraak aangekondigd in de ontwikkeling van quantum computing met de introductie van zijn Majorana 1-chip , gebaseerd op topologische supergeleiding.

Dit apparaat maakt gebruik van deeltjes genaamd Majorana-fermionen om de stabiliteit van quantumqubits te verbeteren, waardoor fouten en externe interferentie aanzienlijk worden verminderd. De sleutel tot deze vooruitgang ligt in het benutten van een exotische toestand van materie, bekend als een topologische toestand.

De topologische toestand van materie heeft de interesse gewekt van wetenschappers en technici vanwege de unieke eigenschappen ervan. Deze eigenschappen kunnen niet alleen een revolutie teweegbrengen in quantum computing, maar ook in de elektronica en materiaalkunde. Maar wat is deze staat precies en waarom is deze zo belangrijk?

Het concept van een topologische toestand van materie komt voort uit de topologie, een tak van de wiskunde die de eigenschappen van objecten bestudeert die onveranderd blijven bij voortdurende vervormingen, zoals uitrekken of draaien, zolang ze maar niet breken of samensmelten. In de materiaalkunde beschrijft topologie hoe bepaalde elektronische eigenschappen bestand zijn tegen verstoringen of onzuiverheden.

Een materiaal in een topologische toestand heeft een belangrijke eigenschap: terwijl de binnenkant zich gedraagt ​​als een isolator, kunnen de randen of oppervlakken elektriciteit geleiden zonder weerstand. Deze bijzonderheid is te danken aan de elektronische structuur van het materiaal, die de randtoestanden beschermt tegen externe verstoringen en zo een stabiel en uiterst efficiënt rijgedrag garandeert.

De studie van topologische aggregatietoestanden kreeg in 2016 een enorme impuls toen de natuurkundigen David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz de Nobelprijs voor Natuurkunde ontvingen voor hun onderzoek naar topologische faseovergangen. Hun bevindingen hielpen ons te begrijpen hoe bepaalde fasen van materie onder extreme omstandigheden, zoals temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, kunnen verschijnen.

Een van de meest opvallende verschijnselen op dit gebied is het kwantum-Halleffect, waarbij een metaalfolie die wordt blootgesteld aan een magnetisch veld bij extreem lage temperaturen, aan de randen gekwantiseerde elektrische geleiding vertoont, terwijl de binnenkant isolerend blijft. Dit fenomeen is van fundamenteel belang geweest voor de ontwikkeling van geavanceerde elektronische apparaten.

Quantum computing biedt de mogelijkheid om problemen op te lossen die met conventionele computers niet opgelost kunnen worden. Een van de grootste uitdagingen is echter de stabiliteit van de qubits. Ze zijn namelijk extreem gevoelig voor externe verstoringen die fouten in de berekeningen kunnen veroorzaken.

Hierbij spelen topologische toestanden een cruciale rol. Topologische supergeleiding, zoals gebruikt in de Majorana 1-chip van Microsoft, combineert het vermogen van bepaalde materialen om elektriciteit zonder weerstand te geleiden met de robuustheid van topologische toestanden. Hierdoor zijn qubits die in deze toestand ontstaan ​​inherent stabieler en minder gevoelig voor verlies van kwantumcoherentie.

Microsoft is erin geslaagd topologische supergeleidende nanodraden te maken die werken bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Dit is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van praktische en schaalbare quantumcomputers.

De ontdekking en toepassing van de topologische toestand van materie opent nieuwe mogelijkheden op meerdere gebieden, van elektronica tot quantum computing. Bedrijven als Microsoft zetten in op deze technologie en de toekomst van quantum computing ziet er rooskleuriger uit dan ooit. Naarmate het onderzoek vordert, is de kans groot dat we in de komende jaren verrassende nieuwe toepassingen van deze toestand van materie zullen zien.