Kvantechips nær virkeligheden med skalerbart siliciumdesign

Diraq-forskere afslørede en kommercielt levedygtig fremstillingsmetode til kvantebits i stor skala med høj kvalitet, der kan revolutionere computersektoren. Dette principbevis anvender traditionelle fremstillingsprocesser, der er blevet brugt i årtier til at levere pålidelige, storskala, fejltolerante kvantecomputerchips, der bevarer maksimal kvalitet. Her er hvad du behøver at vide.

Efterspørgslen efter overkommelige kvantecomputere er stigende

Der er en stigende efterspørgsel efter kvanteberegningstjenester og -specialister. Ifølge de seneste rapporterVirksomheder har allerede brugt 2.35 mia. dollars på kvantetjenester sidste år. Derudover har sektoren oplevet en betydelig stigning i ansættelser, hvor LinkedIn-statistikker viser en stigning på 180 % i antallet af virksomheder, der søger kvanteprofessionelle mellem 2020 og 2024.

Der er mange grunde til den stigende efterspørgsel efter kvantecomputere. En sådan årsag er militære anvendelser. Verden over har militæret investeret betydelige midler i håb om at opnå en konkurrencefordel i forhold til deres konkurrenter.

Quantum Benchmarking Initiative

Det amerikanske agentur for forsvarsforskning (DARPA) er i øjeblikket vært for Quantum Benchmarking Initiative. Målet med dette projekt er at afgøre, om kvantecomputerchips kan skaleres og gøres mere holdbare end deres nuværende design, som har en skrøbelig kvantetilstand.

For at udføre denne opgave er 18 virksomheder blevet udvalgt til at konkurrere mod hinanden om at opnå nytteskala inden for kvantecomputersektoren. Nytteskala er et udtryk, der refererer til kvantecomputeres evne til at løse problemer, der langt overstiger nutidens supercomputere.

Denne opgave kræver fejlkorrektion i realtid for at opfylde kravene til høj kvalitet. Kvalitetssikring refererer til chippens nøjagtighed. Ingeniører bliver nødt til at skabe en kvantechip, der kan lagre og tilgå enorme mængder information, samtidig med at den kan opretholde mere end 100 qubits pålideligt på tværs af den skrøbelige kvantetilstand.

Siliciumbaserede kvantechips

Der har været mange forskellige typer kvantechipdesigns, der er blevet brugt til at skabe kvantehardware. Introduktionen af ​​siliciumbaserede kvantechips har dog betydelige fordele.

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

De næste trin

I erkendelse af potentialet i silicium spin-qubit-teknologi har ingeniører søgt efter måder at forbedre disse chipdesigns på. Deres forskning har omfattet omfattende laboratorietests. Laboratorieresultaterne har vist sig at være nøjagtige. Der har dog indtil videre ikke været noget forsøg på at se, om det samme niveau af nøjagtighed kan opnås ved hjælp af traditionelle fremstillingsmetoder i industriel skala.

Kilde - Natur

For at kunne udføre denne opgave skal ingeniører overvinde adskillige materielle udfordringer. Deres design skal tage højde for interferens forårsaget af ladningsstøj og statisk forstyrrelse. Disse problemer opstår på grund af defekter og fælder ved grænseflader og oxider, der findes i siliciumchipdesign.

Storskala kvantechipfabrikationsstudie

Den nylige Industrikompatible silicium spin-qubit-enhedsceller med over 99 % nøjagtighed¹ Undersøgelse offentliggjort den 24. september i Nature giver værdifuld indsigt i afgørende metrikker, der er ansvarlige for at opnå skalerbare kvantechips.

Den forbinder prikkerne mellem realtidsovervågningsfunktioner og evnen til at korrigere kvantefejl. Specifikt peger den på korrelationer mellem elektrisk støj og Hallbar-transport. Som en del af arbejdet designede Diraq en ny software til modellering af chipdesign.

De indgik et partnerskab med chipfabrikanten imec, som var ansvarlig for den endelige fremstilling af enheden. Derfra skabte teamet adskillige designs ved hjælp af siliciumwafere og traditionel CMOS-geometri.

Standard værktøj

Ingeniørerne valgte adskillige to-qubit-enheder, der anvendte plane metal-oxid-halvledere med polysilicium-gates. Enhederne blev fremstillet ved hjælp af standard halvlederværktøj i et 300 mm støberimiljø. Specifikt omfattede den anvendte arkitektur en dobbelt kvantepunkt og en enkeltelektrontransistor (SET), som leverede spin-aflæsning i realtid.

Det er værd at bemærke, at de fire elektroner i den dobbelte prik, der dannes under enhedens stempelelektroder, gør det muligt at kontrollere tunnelkoblingen mellem prikkerne og udføre støjanalyse. Derfra blev hele enheden placeret i et 3He/4He-fortyndingskøleskab, der var indstillet til en basistemperatur på 10 mK i isoleret tilstand.

Test af det nye kvantechipdesign

For at teste deres konstruktion udsatte holdet enheden for adskillige eksperimentelle forhold skabt i UNSW's forskningslaboratorium. Det første skridt var at evaluere chippens primære qubit-funktionalitet. Denne test omfattede test af både en- og to-qubit-gates og registrering af fejlrater.

Det er værd at bemærke, at teamet anvendte et avanceret gate set tomography (GST)-værktøj til at få værdifuld indsigt i kvantetilstanden i realtid. Denne tilgang gjorde det muligt for dem at bestemme interferensfaktorer som krydstale og fordelingen mellem stokastiske og kohærente fejl.

Efter at have dokumenteret fire designs, udførte de kryo-probingmålinger på yderligere 16 muligheder. Hver chip havde en lidt forskellig form og arkitektur, hvilket gjorde det muligt for teamet at få indsigt i, hvordan deres design giver ensartet elektrostatisk kontrol over enhedens gate-elektroder.

Resultater af teststudie af storskala kvantechipfabrikation

Testresultaterne viste, at konceptet var en succes. Holdet demonstrerede høj ydeevne af qubits på den 300 mm store wafer ved hjælp af traditionelle halvlederfabrikker. Deres data tyder på, 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 testning indikerer, at Diraqs silicium-kvantechip med succes kan masseproduceres ved hjælp af traditionelle CMOS-strategier. Denne opdagelse åbner døren for storskalaproduktion af næste generations kvantecomputere.

Fordele ved storskala kvantechipfabrikationsstudie

Stryg for at scrolle →

Denne undersøgelse bringer mange fordele til industrien. For det første gav den værdifuld videnskabelig viden til at overvinde de tekniske begrænsninger ved storskala kvantecomputerfremstillingsstrategier. Den demonstrerede også en måde at integrere kvantechips i masseproduktion i fremtiden.

Nøjagtighed

En af de største opdagelser er, at støberiprocessen ikke reducerede kvantechipsenes nøjagtighed eller kvalitet. Den viste faktisk, at siliciumbaserede kvantechips kan opretholde nøjagtighed i verdensklasse, når de fremstilles ved hjælp af avancerede spin-qubit-strategier kombineret med fejlkorrektion i realtid.

Massefabrikation

Hovedformålet med studiet var at demonstrere, at siliciumbaserede kvantecomputere kan udnytte den modne halvlederindustri. Ingeniørerne lykkedes med dette mål, hvilket åbner døren for, at disse chips kan blive udbredt.

Real-World-applikationer og tidslinje

Der er flere anvendelser for dette studie. For det første vil det bidrage til at skabe en levedygtig vej frem for storskalaproduktion af pålidelige silicium-kvantechips. Disse enheder vil spille en afgørende rolle i mange højteknologiske industrier, herunder kunstig intelligens, luftfart, medicin, klimamodellering og meget mere.

Tidslinje for storskala kvantechipfabrikationsstudie

Det vil vare 7-10 år, før du kan gå ind i din lokale computerbutik og se kvantedrevne enheder til en overkommelig pris. Dette arbejde baner dog vejen for kvantedrevne computere til en overkommelig pris i det næste årti.

Forskere i storskala kvantechipfabrikation

For at gøre Large Scale Quantum Chip Fabrication Study til en succes, samarbejdede Diraq, som er en nanoteknologisk startup fra UNSW i Sydney, med det europæiske nanoelektronikinstitut Interuniversity Microelectronics Centre (imec). Det er værd at bemærke, at Diraq tidligere havde afsløret et siliciumchipdesign, der fremstillede qubits ved hjælp af CMOS-processerne i deres laboratorium.

Dette skridt inspirerede teamet til at udvikle teknologien yderligere og muliggøre anvendelse af storskala fremstillingsmetoder. Denne grundlæggende præstation åbner døren for masseproduktion af siliciumbaserede kvantechips, der kan bruges i alt fra transport til medicinsk udstyr.

Fremtidige forskningsretninger

I en kommentar til deres planer planlægger ingeniørerne at undersøge store konfigurationer og højere elektronbesættelser yderligere. Deres mål er at få en bedre forståelse af den fysiske oprindelse af de observerede fejlmekanismer og skabe modeller, der præcist kan forudsige og forhindre disse hændelser. Hvis dette arbejde lykkes, vil det bane vejen for endnu højere ydeevne i sektoren.

Investering i kvantecomputere

Adskillige udviklere af kvantecomputere opererer globalt. Disse virksomheder fortsætter med at flytte grænserne for datalogi ved konstant at investere i forskning og udvikling for at reducere fremstillingsomkostningerne. Her er en virksomhed, der fortsat er en pioner på markedet og er anerkendt som en brancheleder.

Rigetti computing

Rigetti Computing kom på markedet i 2013. Virksomheden 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 at skabe full-stack superledende kvantesystemer og anden vigtig hardware.

Det er værd at bemærke, at Rigetti Computing altid har været en pioner på markedet. For eksempel introducerede de den første kvanteprocessor i 2016. Denne 3-qubit-chip åbner døren for fremtidige innovationer, herunder udgivelsen af ​​Forest-kvanteprogrammeringsmiljøet, som hjalp med at drive algoritmeudviklingen.

I 2017 blev Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) lanceret, hvilket muliggjorde adgang til kraftfulde kvantechips på virksomhedsniveau. Denne manøvre blev hurtigt efterfulgt af åbningen af ​​et nyt støberi i Fremont, Californien, samme år. Disse manøvrer bidrog til at styrke virksomhedens positionering og produktionskapacitet.

I 2024 demonstrerede Rigetti Computing sine 32-qubit processorer. Denne manøvre blev efterfulgt af et strategisk partnerskab med AWS. Alle disse manøvrer styrkede Rigetti Computings markedspositionering og forbrugertillid. Som sådan ses det i dag som en fremragende måde at få eksponering for kvantecomputersektoren.

Seneste BDX (RGTI) aktienyheder og -udvikling

Storskala kvantechipfabrikationsstudie | Konklusion

Der er så mange grunde til, at det er en gevinst for alle at skabe silicium-kvantechips, der kan udnytte den modne halvlederindustri. For det første vil det fremme omkostningsreduktioner og yderligere forskning. Det vil også inspirere til mere teknologisk innovation i fremtiden.

Lær om andre fede gennembrud inden for kvantecomputere Her.

Referencer

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, WH, Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, JD, Vahapoglu, E., Bartee, SK, Hudson, FE, Chan, KW, J., Juk, Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). Industrikompatible silicium spin-qubit enhedsceller, der overstiger 99 % troskab. Natur, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}