Kvantumchips Nær Virkeligheden med Skalerbart Siliciumdesign

Diraq‑forskerne præsenterede en kommercielt levedygtig høj‑fidelitets‑kvantebit med en skalerbar fremstillingsmetode, der kan revolutionere computersektoren. Dette bevis på princip bruger traditionelle fremstillingsprocesser, som har været anvendt i årtier, for at levere pålidelige, storskala, fejl‑tolerante kvantecomputer‑chips, der bevarer maksimal fidelitet. Her er, hvad du behøver at vide.

Efterspørgslen efter overkommelige kvantecomputere stiger

Der er en stigende efterspørgsel efter kvantecomputing‑tjenester og specialister. Ifølge nylige rapporter har virksomheder allerede brugt 2,35 mia. $ på kvante‑tjenester sidste år. Derudover har sektoren oplevet en betydelig stigning i ansættelser, hvor LinkedIn‑statistikker viser en 180 % stigning i virksomheder, der søger kvante‑professionelle mellem 2020 og 2024.

Der er mange årsager til den stigende efterspørgsel efter kvantecomputing. En af grundene er militære anvendelser. Over hele verden har militærene investeret betydelige midler i håbet om at opnå en konkurrencemæssig fordel over deres rivaler.

Kvantum Benchmarking Initiativet

Den amerikanske Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) er i øjeblikket vært for Quantum Benchmarking Initiative. Projektets mål er at afgøre, om kvante‑computing‑chips kan skaleres og gøres mere holdbare end deres nuværende design, som har en skrøbelig kvantetilstand.

For at gennemføre denne opgave er 18 virksomheder blevet udvalgt til at konkurrere mod hinanden om at opnå nytte‑skala inden for kvantecomputing‑sektoren. Nytteskala er et begreb, der refererer til kvantecomputings evne til at løse problemer, der langt overstiger nutidens supercomputere.

Denne opgave vil kræve real‑time fejlkorrektion for at opfylde de høje fidelitetskrav. Fidelitet refererer til chipens nøjagtighed. Ingeniører skal skabe en kvantechip, der kan lagre og tilgå massive mængder information, mens den pålideligt opretholder mere end 100 qubits over den skrøbelige kvantetilstand.

Silicium‑baserede kvantechips

Der har været mange forskellige typer af kvantechip‑designs, der er blevet brugt til at skabe kvantehardware. Introduktionen af silicium‑baserede kvantechips har dog betydelige fordele.

For det første kan de udnytte de milliarder af dollars i infrastruktur og fremstillingsstrategier, der allerede er på plads for traditionelle chips. Derudover kan chipsene rumme millioner af qubits på én enkelt chip. Disse qubits er placeret præcist for at levere effektiv kvantecomputing.

De næste skridt

Ved at anerkende det potentiale, som silicium‑spin‑qubit‑teknologien giver, har ingeniører søgt måder at forbedre disse chip‑designs på. Deres forskning har inkluderet omfattende laboratorietests. Laboratorieresultaterne har vist sig at være nøjagtige. Dog har der indtil videre ikke været et forsøg på at se, om samme nøjagtighedsniveau kan opnås ved brug af traditionelle industrielle fremstillingsmetoder.

Kilde – Nature

For at gennemføre denne opgave skal ingeniørerne overvinde flere materialemæssige udfordringer. Deres design skal tage højde for interferens forårsaget af ladningsstøj og statisk uorden. Disse problemer opstår på grund af defekter og fælder ved grænseflader og oxider i silicium‑chip‑designs.

Storskala kvantechip‑fabrikationsstudie

Den nylige Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹‑undersøgelse, der blev offentliggjort den 24. september i Nature, giver værdifuld indsigt i afgørende måleparametre, der er ansvarlige for at opnå skalerbare kvantechips.

Den forbinder real‑time overvågningskapaciteter med evnen til at korrigere kvantefejl. Specifikt påpeger den korrelationer mellem elektrisk støj og Hall‑bar‑transport. Som en del af arbejdet designede Diraq ny chip‑design‑modelsoftware.

De indgik partnerskab med chip‑fremstillingsfirmaet imec, som var ansvarlig for den endelige produktion af enheden. Herefter skabte teamet flere design ved brug af silicium‑wafere og traditionel CMOS‑geometri.

Standardværktøj

Ingeniørerne valgte flere to‑qubit‑enheder, der benyttede planar metal‑oxide‑semiconductor med polysilicongates. Enhederne blev fremstillet ved brug af standard semikonduktortooling i et 300‑mm foundry‑miljø. Specifikt omfattede arkitekturen en dobbelt kvante‑dot og en enkelt‑elektron‑transistor (SET), som leverede real‑time spin‑read‑out.

Bemærkelsesværdigt gør de fire elektroner i den dobbelte dot, der dannes under plunger‑gate‑elektroderne på enheden, det muligt at kontrollere tunnel‑koblingen mellem dottene og levere støjanalyse. Herefter blev hele enheden placeret i et 3He/4He fortyndings‑køleskab, som var indstillet til en basis‑temperatur på 10 mK i isoleret tilstand.

Test af det nye kvantechipdesign

For at teste deres konstruktion udsatte teamet enheden for flere eksperimentelle betingelser skabt i UNSW‑forskningslaboratoriet. Det første skridt var at evaluere chipens primære qubit‑funktionalitet. Testen omfattede både én‑ og to‑qubit‑gate‑test og registrering af fejlrater.

Bemærkelsesværdigt anvendte teamet et topmoderne gate‑set‑tomography (GST)‑værktøj for at opnå værdifuld indsigt i kvantetilstanden i real‑time. Denne tilgang gjorde det muligt at bestemme interferensfaktorer som krydstale og opdelingen mellem stokastiske og koherente fejl.

Efter at have dokumenteret fire design udførte de kryo‑probings‑målinger på yderligere 16 muligheder. Hver chip havde en let anderledes form og arkitektur, hvilket gjorde det muligt for teamet at få indsigt i, hvordan deres design leverer ensartet elektrostatiske kontrol over enhedens gate‑elektroder.

Resultater fra test af storskala kvantechip‑fabrikationsstudie

Testresultaterne viste, at konceptet var en succes. Teamet demonstrerede høj ydeevne af qubits på 300‑mm waferen ved brug af traditionelle semikonduktorfoundries. Deres data antyder, at chippen præsterede præcis som forudsagt. I både enkelt‑ og to‑qubit‑kontrolfaciliteter oversteg den 99 % nøjagtighed på tværs af alle fire enheder.

Resultaterne af denne test indikerer, at Diraqs silicium‑kvantechip kan masseproduceres med succes ved brug af traditionelle CMOS‑strategier. Denne opdagelse åbner døren for storskalaproduktion af næste generations kvantecomputing‑enheder.

Fordele ved storskala kvantechip‑fabrikationsstudie

Swipe for at rulle →

Der er mange fordele, som denne undersøgelse bringer til industrien. For det første leverede den værdifuld videnskabelig viden om, hvordan man overvinder de tekniske begrænsninger i storskalaproduktion af kvantechips. Den demonstrerede også en metode til at integrere kvantechips i masseproduktion i fremtiden.

Nøjagtighed

En af de største opdagelser er, at foundry‑processen ikke reducerede nøjagtigheden eller fideliteten af kvantechipsene. Den viste faktisk, at silicium‑baserede kvantechips kan opretholde verdensklasse‑nøjagtighed, når de fremstilles ved brug af topmoderne spin‑qubit‑strategier kombineret med real‑time fejlkorrektion.

Massefabrikation

Studiets hovedmål var at demonstrere, at silicium‑baserede kvantecomputere kan udnytte den modne halvlederindustri. Ingeniørerne lykkedes med dette mål, hvilket åbner døren for, at disse chips kan opnå storskaleadoption.

Virkelige anvendelser & tidslinje

Der er flere anvendelser for denne undersøgelse. For det første vil den hjælpe med at give en levedygtig vej frem for storskalaproduktion af pålidelige silicium‑kvantechips. Disse enheder vil spille en vital rolle i mange højteknologiske industrier, herunder AI, rumfart, medicin, klimamodellering og meget mere.

Tidslinje for storskala kvantechip‑fabrikationsstudie

Det vil tage 7–10 år, før du kan gå ind i din lokale computerbutik og se kvante‑drevne enheder til en overkommelig pris. Dette arbejde baner dog vejen for rimeligt prissatte kvante‑drevne computere i det næste årti.

Forskere i storskala kvantechip‑fabrikationsstudie

For at gøre storskala kvantechip‑fabrikationsstudiet til en succes samarbejdede Diraq, et UNSW Sydney nano‑tech‑startup, med det europæiske nanoelektronik‑institut Interuniversity Microelectronics Centre (imec). Bemærkelsesværdigt havde Diraq tidligere præsenteret et silicium‑chip‑design, der fremstillede qubits ved brug af CMOS‑processer i deres laboratorium.

Dette skridt inspirerede teamet til at skubbe teknologien videre, så store‑skala fremstillingsmetoder kunne anvendes. Denne grundlæggende præstation åbner døren for masseproduktion af silicium‑baserede kvantechips, der kan bruges i alt fra transport til medicinsk udstyr.

Fremtidige forskningsretninger

Ingeniørerne planlægger at foretage yderligere undersøgelser af store konfigurationer og højere elektron‑besættelser. Deres mål er at opnå en bedre forståelse af den fysiske oprindelse af de observerede fejlmekanismer og skabe modeller, der nøjagtigt kan forudsige og forhindre disse forekomster. Hvis de lykkes, vil dette arbejde give en klar vej til endnu højere ydeevne i sektoren.

Investering i kvantecomputing

Flere kvantecomputer‑udviklere opererer globalt. Disse virksomheder fortsætter med at skubbe grænserne for computing ved konstant at investere i forskning og udvikling for at reducere fremstillingsomkostningerne. Her er én virksomhed, der forbliver en pionerånd på markedet og er anerkendt som en industrileder.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) gik ind på markedet i 2013. Det er baseret i Californien og blev grundlagt af fysikeren Chad Rigetti. Rigetti Computings oprindelige fokus var på at skabe og vedligeholde superledende qubits. Denne tilgang omfattede opbygning af fuld‑stack superledende kvantesystemer og andet vitalt hardware.

Bemærkelsesværdigt har Rigetti Computing altid været en pionerånd på markedet. For eksempel introducerede de den første kvanteprocessor i 2016. Denne 3‑qubit‑chip banede vejen for fremtidige innovationer, herunder udgivelsen af Forest‑kvanteprogrammeringsmiljøet, som hjalp med at drive algoritmeudvikling.

I 2017 lancerede Rigetti Quantum Cloud Services (QCS), som muliggør virksomhedsniveau‑adgang til kraftfulde kvantechips. Dette skridt blev hurtigt fulgt af åbningen af en ny foundry i Fremont, CA samme år. Disse tiltag hjalp med at styrke virksomhedens positionering og fremstillingskapacitet.

I 2024 demonstrerede Rigetti Computing sine 32‑qubit‑processorer. Dette skridt blev fulgt af et strategisk partnerskab med AWS. Alle disse tiltag styrkede Rigetti Computings markedsposition og forbrugertillid. Som sådan ses de i dag som en fremragende måde at få eksponering til kvantecomputing‑sektoren på.

Seneste BDX (RGTI) aktienyheder og præstation

Storskala kvantechip‑fabrikationsstudie | Konklusion

Der er så mange grunde til, at fremstilling af silicium‑kvantechips, som kan udnytte den modne halvlederindustri, er en gevinst for alle. For det første vil det drive omkostningsreduktion og yderligere forskning. Det vil også inspirere til mere teknologisk innovation i fremtiden.

Lær om andre seje kvantecomputing‑gennembrud Her.

Referencer

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). Industrikompatible silicium spin‑qubit enhedsceller, der overstiger 99 % nøjagtighed. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}