Quantum Computing springer fremad med avanceret superledende teknologi

En ny teknologi, kvanteberegning udnytter lovene for kvantemekanismer til at løse komplekse problemer, der ligger uden for traditionelle computeres kapacitet. 

Disse kvantecomputere gemmer information i qubits (eller kvantebits). I modsætning til klassiske bits kan disse qubits eksistere ud over en binær tilstand på 0 og 1 og kan som sådan udføre beregninger meget hurtigere. 

I øvrigt, disse qubits kommer i forskellige former, herunder fangede ion-qubits, som bruger ladede ioner eller atomer; fotoniske qubits, som bruger lyspartikler; og superledende qubits, som er en kredsløbsløkke med en elektrisk strøm, der rejser rundt om dem.

Superledende qubits, der er en del af 'faststoftilstands'-kvanteberegninger, blev først demonstreret i 1999. Siden da har de udviklet sig til en af ​​de primære former for qubit-teknologi og tilbyder fordele som reduceret energiforbrug, lav modstand, nedsat dekohærens, skalerbare kvantekredsløb, højhastigheds-qubit-drift, stabile qubit-tilstande, high-fidelity qubit-kontrol og fejlkorrektion.

I løbet af det seneste årti er superledende kvantecomputere blevet en populær mulighed for at bygge funktionelle kvantecomputere, og igangværende forskning bringer os tættere på at gøre dem til virkelighed.

Nylige gennembrud i superledermaterialer

Netop i denne uge offentliggjorde et team af forskere en undersøgelse i Science Advances om udviklingen af ​​et nyt superledermateriale til kvanteberegning.

Det nye superledermateriale er en kandidat til en "topologisk superleder", som er en type, der bruger et hul eller en elektrons delokaliserede tilstand til at bære kvanteinformation og behandle data.

Fysiker Peng Wei fra University of California ledede et team af forskere, der kombinerede trigonalt tellur, et ikke-magnetisk materiale, der kan ikke blive overlejret på sit spejlbillede, med en overfladetilstand superleder genereret på overfladen af ​​en tynd film af guld.

Denne kombination skabt en 2D interface superleder med forbedret spin-polarisering, hvilket gør det muligt at bruge excitationerne til at skabe en stabil spin-qubit. Dette banebrydende superledermateriale har potentialet til at revolutionere skalerbarheden og pålideligheden af ​​kvantecomputerkomponenter. 

"Ved at skabe en meget ren grænseflade mellem det chirale materiale og guld udviklede vi en todimensionel grænseflade-superleder. Interface-superlederen er unik, da den lever i et miljø, hvor energien fra spindet er seks gange mere forbedret end i konventionelle superledere."

– Wei, lektor i fysik og astronomi

Under et magnetfelt, materialet blev yderligere set at lave en overgang, hvilket antyder dets brug som en triplet superleder, hvilket kan føre til mere robuste kvantecomputerkomponenter. Det blev dybest set mere robust ved et højt magnetfelt end ved et lavt magnetfelt. 

Ved at bruge ikke-magnetiske materialer til renere grænseflader undertrykker denne nye teknologi desuden naturligvis kilderne til dekohærens, hvilket er en udfordring inden for kvanteberegning.

Forskerne demonstrerede også superlederens evne laves om til mikrobølgeresonatorer med lavt tab af topkvalitet, som er kritiske komponenter i kvanteberegning. Som sådan kan dette føre til superledende qubits med lavt tab. 

I betragtning af, at reduktion af dekohærens eller tab af kvanteinformation i et qubit-system er den største udfordring inden for kvanteberegning, kan denne forskning hjælpe med at udvikle mere skalerbare og pålidelige kvanteberegningskomponenter. Ifølge Wei:

"Vi opnåede dette ved at bruge materialer, der er en størrelsesorden tyndere end dem, der typisk bruges i kvantecomputerindustrien."

Disse mikrobølgeresonatorer har en kvalitetsfaktor, der når 1 mio.

En uge før dette offentliggjorde et UCLA-ledet hold også en undersøgelse, der præsenterede nyt materiale, der viser løfte for kvanteberegning. 

Materialet bibeholdt sine superledende egenskaber under meget højere end sædvanlige magnetiske felter og udviste den superledende diodeeffekt. Denne effekt, som tillader mere strøm at flyde i én retning, ses typisk i chirale superledere og ses næppe i traditionelle superledere.

For at inducere den chirale adfærd i en konventionel superleder skabte forskerne et chiralt molekylært lag og en lagdelt struktur med 2D-materiale tantaldisulfid (TaS2).

Denne undersøgelse viste potentialet til at forbedre effektiviteten og stabiliteten af ​​kvanteberegning og gøre konventionel elektronik hurtigere og mere energieffektiv.

Innovationer inden for Qubit-kontrol og skalerbarhed

Med kvantecomputere, der har evnen til at "drastisk ændre verden", har der været et kapløb over hele verden om at bygge en praktisk kvantecomputer.

En af de største udfordringer, der hindrer væksten af ​​kvantecomputere, er skalerbarhed, hvilket betyder, at store nok computere kan tackle virkelige problemer. For at have en kvantecomputer, der kan tackle nyttige problemer, har vi enten brug for flere qubits eller en pålidelig måde at reducere fejl introduceret under beregninger.

Så forskere i Japan tog fat på problemet ved at øge det håndterbare antal qubits og reducere det nødvendige antal qubits.

For et par måneder siden demonstrerede forskerne med succes et superledende kredsløb, der kan styre mange qubits ved lave temperaturer.

I dette eksperiment, et superledende kredsløb blev vist at styre flere qubits gennem blot ét kabel ved hjælp af mikrobølgemultipleksing. Kredsløbet har potentiale til at forbedre mikrobølgesignalernes tæthed pr. kabel med omkring 1,000 gange. Denne præstation kan øge antallet af kontrollerbare qubits betydeligt og bidrage til udviklingen af ​​kvantecomputere i stor skala.

For at reducere den hardware, der kræves for at komme i gang mellem qubits og stuetemperaturelektronik, blev der udviklet en innovativ 'kryoelektronik'. 'Kryoelektronik' er elektronik til qubit-styring og -aflæsning, der fungerer ved kryogene temperaturer nær qubits'ene. 

Kryoelektronik har også vist sig at fungere ved højhastigheds-clock-frekvenser ved fire grader over det absolutte nulpunkt. Nu er fokus på at reducere energiforbruget for at minimere den varme, der genereres ved siden af ​​qubits. 

Endnu et andet fokus for japanske forskere er at finde måder at rette behandlingsfejl på. Midt i dette udviklede forskere fra Princeton University en fabrikationsteknik til fejlfri kvanteberegning.

I denne forskning skabte forskere et superledende lag oven på en topologisk isolator, wolframditellurid (WTe2). Teknikken brugte et 'frø' af aflejret metal (palladium) på overfladen af ​​isolatoren til at danne en ny krystallinsk struktur, Pd7WTe2, som udviste nul modstand.

Atomspredningsteknikken fungerer med succes med en række ingredienser, herunder molybdænditellurid (MoTe2).

Selvom yderligere tests er nødvendige for at afgøre, om det er en topologisk superleder, mener forskerne, at nye superledere kan skabes gennem deres generelle metode.

Håndtering af dekohærens og forbedring af ydeevnen

Endnu et gennembrud inden for kvanteberegning kom tidligere på året, da forskere introducerede en ny tilgang til superledende kredsløb. Denne tilgang har potentialet til at forlænge køretiden for en kvantecomputer betydeligt.

Som vi har bemærket, bliver den kontinuerlige drift af en sådan computer afbrudt på grund af, hvor let kvantetilstanden af ​​en qubit kan destabiliseres. Dette kaldes dekohærens og fører til fejl i beregninger. Dette sker på grund af interaktioner med andre qubits og deres miljø.

Og fordi superledende qubits muliggør skift mellem forskellige tilstande på kortest tid, er de i fokus for voksende forskning. Men selvom de kan forbedre koblingstiden, er de også mere modtagelige for dekohærens på så kort tid som millisekunder.

Så en international gruppe af forskere foreslog et Josephson junction design, som kaldes "flowermon." Dette design bruger to et-atom-tykke cuprat-flager, et superledende materiale baseret på kobber.

"The flowermon moderniserer den gamle idé om at bruge ukonventionelle superledere til beskyttede kvantekredsløb og kombinerer det med nye fremstillingsteknikker og en ny forståelse af superledende kredsløbssammenhæng."

– Uri Vool, fysiker ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Tyskland

Ifølge teamets beregninger kan deres design reducere støj og dermed øge kohærenstiden for qubits med størrelsesordener. Det var dog rent teoretisk, og teamet planlægger at bruge resultaterne til at optimere superledende qubits bagefter.

For at tackle kvantecomputeres ydeevne udviklede et team af forskere fra University of Minnesota Twin Cities sidste år også en justerbar superledende diode, der ikke kun kan hjælpe med at opskalere kvantecomputere, men også forbedre kunstige intelligenssystemer. 

En diode er en enhed, der tillader strømning i én retning. Mens de normalt er lavet med halvledere, har forskere undersøgt at lave dioder med superledere, som tillader energioverførsel uden at miste nogen strøm undervejs.

Seniorforsker Vlad Pribiag, der er lektor ved University of Minnesota School of Physics and Astronomi, bemærkede:

"Vi ønsker at gøre computere mere kraftfulde, men der er nogle hårde grænser, vi snart vil ramme med vores nuværende materialer og fremstillingsmetoder." 

Den største udfordring for at forbedre computerkraften er at sprede energi, så holdet valgte at bruge superledende teknologier.

Den superledende diode enhed var bygget ved hjælp af tre Josephson-kryds. Mens de blev lavet ved at klemme stykker af ikke-superledende materiale i midten af ​​superledere, fik forskerne her superlederne forbundet med lag af halvledere. 

Dette unikke design gjorde det muligt for forskerne at styre enhedens adfærd ved hjælp af spænding. Den kan også behandle flere elektriske signaler ad gangen, i modsætning til de sædvanlige dioder, som kun kan håndtere ét input og ét output hver. Disse funktioner kan endda føre til, at den superledende diode bliver brugt i hjerneinspireret neuromorfisk databehandling.

I neuromorfisk databehandling er elektriske kredsløb designet til at kopiere, hvordan neuroner arbejder i den menneskelige hjerne for at forbedre ydeevnen.

Ifølge Mohit Gupta, artiklens førsteforfatter, er denne nye superledende diode mere energieffektiv end andre superledende dioder. Mere specifikt leveres den for første gang med en række gates til at styre energistrømmen. Denne funktion er ikke blevet indarbejdet i en superledende diode før, men dette studie har "vist, at man kan tilføje gates og anvende elektriske felter for at justere denne effekt." 

Desuden var materialet, der blev brugt i denne forskning, mere industrivenligt og i stand til at levere nye funktionaliteter.

Teknikken brugt i denne undersøgelse kan yderligere blive brugt med nogen superleder, hvilket gør den meget fleksibel og kompatibel med industriapplikationer. Disse egenskaber kan hjælpe med at opskalere udviklingen af ​​kvantecomputere til bredere brug.

"Lige nu er alle kvantecomputere derude meget basale i forhold til behovene i virkelige applikationer. Opskalering er nødvendig for at have en computer, der er kraftig nok til at håndtere nyttige, komplekse problemer."

– Pribiag

Denne har særlig betydning i dag, da brugen af ​​kunstig intelligens vokser betydeligt. Denne har ført til, at folk har forsket i algoritmer til computere eller AI-maskiner, der kan overgå klassiske computeres ydeevne. Pribiag bemærkede, at denne undersøgelse udvikler hardwaren, der gør det muligt for kvantecomputere at implementere disse algoritmer. 

Forskningen blev primært finansieret af United States Department of Energy med delvis støtte fra National Science Foundation og Microsoft Research.

Krympende Qubits med 2D-materialer uden at påvirke ydeevnen

Fortsat forskning og udvikling har ført til, at forskere bygger superledende qubits, der er langt mindre end sædvanlige qubits. Disse superledende qubits blev bygget ved hjælp af 2D-materialer.

For at overgå hastigheden og kapaciteten hos klassiske computere skal kvantecomputeres qubits være på samme bølgelængde. For at opnå dette er forskere normalt nødt til at ofre størrelsen af ​​disse qubits, som selv i dag måles i millimeter i modsætning til deres klassiske modstykker, hvis transistorer er krympet til nanometer.

For at reducere størrelsen af ​​qubits, så de ikke har et stort fysisk fodaftryk, samtidig med at de opretholder deres ydeevne, fremviste James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia University, en meget lille superledende qubit-kondensator.

Tidligere brugte ingeniører plane kondensatorer til at bygge qubit-chips. Her opladede plader er indstillet side om side, og mens de kan stables for at spare plads, ville det forstyrre qubit-informationslagringen.

Så lagde Hones ph.d.-studerende Anjaly Rajendra og Abhinandan Antony et isolerende lag af bornitrid mellem to ladede plader af superledende niobiumdiselenid. Disse lag, der kun er ét atom tykke, holdes sammen af ​​van der Waals-kræfter, en svag vekselvirkning mellem elektrostatiske kræfter. 

Kondensatorerne blev derefter kombineret med aluminiumskredsløb for at skabe en chip. Denne chip havde to qubits og var kun 35 nanometer tyk, 1,000 gange mindre end dem, der blev produceret ved hjælp af konventionelle metoder.

Når de er kølet ned, fik qubits den samme bølgelængde. De blev også observeret at blive viklet ind og fungere som en enkelt enhed. Denne kvantekohærens, selvom den kun er kortvarig (lidt over et mikrosekund), betyder, at kvantetilstanden af ​​qubit kan manipuleres og udlæses via elektriske impulser. Ifølge Hone:

"Vi ved nu, at 2D-materialer kan være nøglen til at gøre kvantecomputere mulige. Det er stadig meget tidligt, men resultater som disse vil anspore forskere over hele verden til at overveje nye anvendelser af 2D-materialer. Vi håber at se meget mere arbejde i denne retning fremadrettet".

Takket være deres unikke struktur har todimensionelle (2D) kvantematerialer markeret et betydeligt gennembrud inden for materialevidenskab. I modsætning til 3D-materialer er 2D-kvantematerialer kun et eller få atomer tykke, og elektroner kan bevæge sig i alle tre retninger.

Nogle populære 2D-materialer inkluderer silicen, grafen, germanen, stanen, phosphoren, overgangsmetal-dichalcogenider (TMDC'er) og sekskantet boronitrid (h-BN).

Mens disse materialer tilbyder forskellige egenskaber og potentiale for transformative teknologiske applikationer, står de over for udfordringer med hensyn til syntese, integration og skalerbarhed, der skal blive overvundet før deres fulde potentiale kan realiseres.

Nøglevirksomheder, der leder kvantecomputerrevolutionen

Lad os nu se på nogle fremtrædende virksomheder, der er involveret i superledere og kvanteberegning:

# 1. Alfabet (Google)

Alfabet er stærkt investeret i kvantecomputerforskning gennem sit datterselskab Google Quantum AI. Divisionen har skabt en superledende kvanteprocessor kaldet Sycamore, som tilbage i 2019, kunne gennemføre en beregning på 200 sekunder, der ellers ville have taget 10,000 år for selv en kraftig supercomputer. Siden da er Sycamore kvanteprocessoren vokset betydeligt og rummer nu 70 qubits, hvilket gør den 241 millioner gange mere robust end dens tidligere model.

Teknikgiganten har en markedsværdi på 2.06 billioner USD og dens aktier (GOOGL:NASDAQ) handles til $165.68, en stigning på 18.56 % YTD. For 2. kvartal 2024 rapporterede Alphabet en stigning på 28.6% i sin nettoindkomst til $23.6 mia., mens den samlede omsætning voksede 14% til $84.74 mia. Google-moderselskabet annoncerede også et kontant udbytte på $0.20 pr.

# 2. NVIDIA Corporation

NVIDIA har udforsket kvantecomputere og superledere gennem partnerskaber og samarbejder. I marts i år annoncerede virksomheden accelerationen af ​​sin kvanteberegningsindsats på nationale supercomputing-steder i Tyskland, Japan og Polen med open source NVIDIA CUDA-Q™-platformen.

NVIDIA-aktierne, markedets AI-favorit, har haft det fantastisk i år, hvilket fremgår af deres stigning på 161.24% i 2024 indtil videre. Denne stigning har fået NVDA-aktier til at blive handlet til 129.45 dollars, hvilket bringer virksomhedens markedsværdi op på 3.188 billioner dollars. Chipproducenten rapporterede et rekordstort første kvartal af 1 med en omsætning på 2024 mia. dollars.

Konklusion

Så arbejder forskere, organisationer og virksomheder over hele verden på at fremme kvanteberegning, som udmærker sig ved kompleks problemløsning. Fokus på superledende teknologi er især med til at drive betydelige fremskridt og bringer os tættere på at realisere denne transformative teknologis fulde potentiale. 

Klik her for at lære om den aktuelle tilstand af kvanteberegning.