Kvantecomputing tager store skridt fremad med avanceret superlederteknologi

En fremspirende teknologi, kvantecomputing udnytter lovene om kvantemekanismer til at løse komplekse problemer, som er uden for kapaciteten af traditionelle computere. 

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 derfor udføre beregninger meget hurtigere. 

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

Som en del af ’solid-state’ kvanteberegning blev superledende qubits første gang demonstreret i 1999. Siden da har de udviklet sig til en af de primære former for qubit-teknologi og tilbyder fordele såsom reduceret energitab, lav modstand, mindsket decoherence, skalerbare kvantekredsløb, højhastigheds‑qubit‑drift, stabile qubit‑tilstande, høj‑fidelitets‑qubit‑kontrol og fejlkorrigering.

I løbet af det sidste årti er superledende kvantecomputing blevet et populært valg til at bygge funktionelle kvantecomputere, og løbende forskning bringer os tættere på at gøre dem til virkelighed.

Seneste gennembrud inden for superledermaterialer

Netop denne uge offentliggjorde et forskerteam en undersøgelse i Science Advances om udviklingen af et nyt superledermateriale til kvantecomputing.

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

Fysikeren Peng Wei fra University of California ledede et forskerteam, der kombinerede trigonal tellurium, et ikke‑magnetisk materiale, der ikke kan overlejres på sit spejlbillede, med en overfladestats‑superleder genereret på overfladen af en tynd film af guld.

Denne kombination skabte en 2D‑grænseflade‑superleder med forbedret spin‑polarisation, hvilket gør det muligt, at excitationerne potentielt kan bruges til at skabe en stabil spin‑qubit. Dette banebrydende superledermateriale har potentialet til at revolutionere skalerbarheden og pålideligheden af komponenter til kvantecomputing. 

“Ved at skabe en meget ren grænseflade mellem det chirale materiale og guld, udviklede vi en todimensionel grænseflade‑superleder. Grænseflade‑superlederen er unik, da den lever i et miljø, hvor spin‑energien er seks gange mere forstærket end i konventionelle superledere.”

– Wei, lektor i fysik og astronomi

Under et magnetfelt blev materialet yderligere observeret at gennemgå en overgang, hvilket antyder dets anvendelse som en triplet‑superleder, som kan føre til mere robuste kvantecomputing‑komponenter. Det blev grundlæggende mere robust ved et højt magnetfelt end ved et lavt magnetfelt. 

Desuden, ved at bruge ikke‑magnetiske materialer for renere grænseflader, undertrykker denne nye teknologi naturligt kilderne til decoherence, hvilket er en udfordring i kvantecomputing.

Forskerne demonstrerede også superlederens evne til at blive lavet til topkvalitets‑lav‑tab‑mikrobølge‑resonatorer, som er kritiske komponenter i kvantecomputing. Som sådan kan dette føre til lav‑tab‑superledende qubits. 

Da reduktion af decoherence eller tab af kvanteinformation i et qubit‑system er den største udfordring i kvantecomputing, kan denne forskning hjælpe med at udvikle mere skalerbare og pålidelige komponenter til kvantecomputing. Ifølge Wei:

“Vi opnåede dette ved at bruge materialer, der er en størrelsesorden tyndere end dem, der typisk anvendes i kvantecomputing‑industrien.”

Disse mikrobølge‑resonatorer har en kvalitetsfaktor, der når op på 1 million.

En uge før dette offentliggjorde et UCLA‑ledet team også en undersøgelse, der præsenterede et nyt materiale, som viser lovende egenskaber for kvantecomputing. 

Materialet bevarede sine superledende egenskaber under langt højere magnetfelter end normalt og udviste den superledende diode‑effekt. Denne effekt, som tillader mere strøm at flyde i én retning, ses typisk i chirale superledere og er sjældent i traditionelle superledere.

For at fremkalde den chirale adfærd i en konventionel superleder skabte forskerne et chiralt molekylært lag og en lagdelt struktur med 2D‑materialet tantalum‑disulfid (TaS2).

Denne undersøgelse demonstrerede potentialet for at forbedre effektiviteten og stabiliteten af kvantecomputing samt gøre konventionel elektronik hurtigere og mere energieffektiv.

Innovationer inden for qubit‑kontrol og skalerbarhed

Da kvantecomputere har kapaciteten til at ”drastisk ændre verden”, har der været et verdensomspændende kapløb om at bygge en praktisk kvantecomputer.

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

Derfor gik forskere i Japan i gang med at løse problemet ved at øge det håndterbare antal qubits og mindske det nødvendige antal qubits.

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

I dette eksperiment blev et superledende kredsløb vist at kunne kontrollere flere qubits gennem kun én kabel ved brug af mikrobølge‑multiplexing. Kredsløbet har potentialet til at forbedre mikrobølge‑signalernes tæthed pr. kabel med omkring 1 000‑fold. Denne præstation kan væsentligt øge antallet af kontrollerbare qubits og bidrage til udviklingen af kvantecomputere i stor skala.

For at reducere den hardware, der kræves for at placere sig mellem qubits og elektronik ved stuetemperatur, blev en innovativ ’cryo‑electronics’ udviklet. ’Cryo‑electronics’ er elektronik til qubit‑kontrol og aflæsning, som opererer ved kryogene temperaturer nær qubits. 

Cryo‑electronics er også blevet demonstreret at fungere ved høje clock‑frekvenser fire grader over det absolutte nulpunkt. Nu fokuseres der på at reducere energiforbruget for at minimere varmen, der genereres ved siden af qubits. 

Endnu et fokusområde for japanske forskere er at finde måder at korrigere behandlingsfejl på. I denne sammenhæng udviklede forskere fra Princeton University en fremstillingsmetode til fejlfri kvantecomputing.

I denne forskning skabte videnskabsfolk et superledende lag oven på en topologisk isolator, tungsten‑ditellurid (WTe2). Metoden brugte et ’seed’ af deponeret metal (palladium) over isolatorens overflade for at danne en ny krystallinsk struktur, Pd7WTe2, som udviste nul modstand.

Den atom‑spredende teknik fungerer succesfuldt med en række materialer, herunder molybden‑ditellurid (MoTe2).

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

Håndtering af decoherence og forbedring af ydeevne

Et andet gennembrud i kvantecomputing kom tidligere i år, da forskere introducerede en ny tilgang til superledende kredsløb. Denne tilgang har potentialet til væsentligt at forlænge driftstiden for en kvantecomputer.

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

Og fordi superledende qubits muliggør skift mellem forskellige tilstande på den kortest mulige tid, er de i fokus for voksende forskning. Men mens de kan forbedre skiftetiden, er de også mere modtagelige for decoherence på blot millisekunder.

Derfor foreslog en international gruppe af forskere et Josephson‑junction‑design, kaldet ”flowermon”. Dette design bruger to en‑atom‑tykke cuprat‑flager, et superledende materiale baseret på kobber.

“Flowermon moderniserer den gamle idé om at bruge ukonventionelle superledere til beskyttede kvantekredsløb og kombinerer den med nye fremstillingsteknikker og en ny forståelse af superledende kredsløbs‑kohærens.”

– Uri Vool, fysiker ved Max Planck‑Institut for Kemisk Fysik af Faststoffer i Tyskland

Ifølge holdets beregninger kan deres design reducere støj og dermed øge kohærens‑tiden for qubits med størrelsesordener. Det var dog udelukkende teoretisk, og holdet planlægger at bruge resultaterne til at optimere superledende qubits næste gang.

For at tackle ydeevnen af kvantecomputere udviklede et hold af forskere fra University of Minnesota Twin Cities sidste år også en justerbar superledende diode, som ikke kun kan hjælpe med at skalere kvantecomputere, men også forbedre kunstige intelligens‑systemer. 

En diode er en enhed, der tillader strøm at flyde i én retning. Selvom den normalt laves med halvledere, har forskere undersøgt at lave dioder med superledere, som tillader energioverførsel uden tab af strøm undervejs.

Den seniorforskningsforfatter  Vlad Pribiag, som er lektor ved University of Minnesota School of Physics and Astronomy, 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 ved at øge computerkraft er at dissipere energi, så holdet valgte at bruge superledende teknologier.

Den superledende diode‑enhed blev bygget ved brug af tre Josephson‑junctions. Selvom den er lavet ved at lægge ikke‑superledende materialer mellem superledere, havde forskerne her superlederne forbundet med lag af halvledere. 

Dette unikke design gjorde det muligt for forskerne at styre enhedens opførsel ved hjælp af spænding. Den kan også behandle flere elektriske signaler samtidigt, i modsætning til almindelige dioder, som kun kan håndtere én ind- og udgang hver. Disse funktioner kan føre til, at den superledende diode endda anvendes i hjerne‑inspireret neuromorfisk computing.

I neuromorfisk computing er elektriske kredsløb designet til at efterligne, hvordan neuroner fungerer i den menneskelige hjerne for at forbedre ydeevnen.

Ifølge Mohit Gupta, den første forfatter på papiret, er denne nye superledende diode mere energieffektiv end andre superledende dioder. Mere specifikt kommer den for første gang med en række porte til at kontrollere energistrømmen. Denne funktion er ikke tidligere indarbejdet i en superledende diode, men denne undersøgelse har ”vist, at du kan tilføje porte og anvende elektriske felter til at justere denne effekt.” 

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

Den teknik, der blev brugt i denne undersøgelse, kan yderligere anvendes med enhver superleder, hvilket gør den yderst fleksibel og kompatibel med industrielle anvendelser. Disse egenskaber kan hjælpe med at skalere udviklingen af kvantecomputere til bredere brug.

“Lige nu er alle kvantecomputermaskiner meget grundlæggende i forhold til de behov, som virkelige applikationer har. Skalering er nødvendig for at have en computer, der er kraftig nok til at tackle brugbare, komplekse problemer.”

– Pribiag

Dette har særlig betydning i dag, da AI‑brugen vokser markant. Dette har ført til, at folk forsker i algoritmer til computere eller AI‑maskiner, der kan overgå klassiske computere i ydeevne. Denne undersøgelse, bemærker Pribiag, udvikler hardware, 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.

Formindskelse af 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 brug af 2D‑materialer.

For at overgå hastigheden og kapaciteten af klassiske computere, skal kvantecomputers qubits være på samme bølgelængde. For at opnå dette må forskerne normalt gå på kompromis med størrelsen af disse qubits, som selv i dag måles i millimeter, i modsætning til deres klassiske modparter, hvis transistorer er blevet krympet til nanometer.

For at reducere størrelsen af qubits, så de ikke har et stort fysisk fodaftryk, mens deres ydeevne bevares, viste James Hone, Wang Fong‑Jen professor i maskinteknik ved Columbia University, en virkelig lille superledende qubit‑kapacitor.

Tidligere brugte ingeniører planare kapacitorer til at bygge qubit‑chips. Her er ladede plader sat side om side, og mens de kan stables for at spare plads, ville det forstyrre qubit‑informationslagringen.

Så sandede Hones PhD‑studerende Anjaly Rajendra og Abhinandan Antony et isolerende lag af boron‑nitrid mellem to ladede plader af superledende niobium‑diselenid. Kun én atomtyk, holdes disse lag sammen af van‑der‑Waals‑kræfter, en svag interaktion mellem elektrostatiske kræfter. 

Kapacitorerne blev derefter kombineret med aluminium‑kredsløb for at skabe en chip. Denne chip havde to qubits og var kun 35 nanometer tyk, 1 000‑gange mindre end dem, der produceres ved konventionelle metoder.

Når de blev afkølet, fik qubits den samme bølgelængde. De blev også observeret at blive sammenfiltrede og optræde som en enkelt enhed. Denne kvante‑kohærens, selvom kun kortvarig (lidt over én mikrosekund), betyder at kvantetilstanden i qubit kan manipuleres og aflæses via elektriske pulser. Ifølge Hone:

“Vi ved nu, at 2D‑materialer kan indeholde nøglen til at gøre kvantecomputere mulige. Det er stadig meget tidligt, men fund som disse vil motivere forskere verden over 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 to‑dimensionelle (2D) kvantematerialer markeret et betydeligt gennembrud inden for materialvidenskab. I modsætning til 3D‑materialer er 2D‑kvantematerialer kun én eller få atomer tykke, og elektroner kan bevæge sig i alle tre retninger.

Nogle populære 2D‑materialer inkluderer Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs) og Hexagonal Boron Nitride (h‑BN).

Selvom disse materialer tilbyder forskellige egenskaber og potentiale for transformative teknologiske anvendelser, står de over for udfordringer i forhold til syntese, integration og skalerbarhed, som skal overvindes før deres fulde potentiale kan realiseres.

Vigtige virksomheder, der leder kvantecomputing‑revolutionen

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

#1. Alphabet (Google)

Alphabet er stærkt investeret i forskning inden for kvantecomputing gennem sit datterselskab Google Quantum AI. Divisionen har skabt en superledende kvanteprocessor kaldet Sycamore, som i 2019 kunne udføre en beregning på 200 sekunder, som ellers ville have taget 10.000 år for selv en kraftfuld supercomputer. Siden da er Sycamore‑kvanteprocessoren vokset betydeligt og har nu 70 qubits, hvilket gør den 241 millioner gange mere robust end dens tidligere model.

Tech‑giganten har en markedsværdi på 2,06 billioner USD, og dens aktier (GOOGL:NASDAQ) handles til 165,68 USD, op 18,56 % år‑til‑dato. For Q2 2024 rapporterede Alphabet en stigning i nettoindkomsten på 28,6 % til 23,6 milliarder USD, mens den samlede omsætning voksede 14 % til 84,74 milliarder USD. Googles moderselskab annoncerede også en kontantudbytte på 0,20 USD pr. aktie.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA har udforsket kvantecomputing og superledere gennem partnerskaber og samarbejder. I marts i år annoncerede virksomheden en acceleration af sine kvantecomputing‑indsatser på nationale supercomputer‑steder i Tyskland, Japan og Polen med den open‑source NVIDIA CUDA‑Q™‑platform.

AI‑favoritten på markedet, NVIDIA‑aktier har haft et fantastisk år, som det fremgår af deres 161,24 % stigning i 2024 indtil videre. Denne stigning har NVDA‑aktier til en kurs på 129,45 USD, hvilket giver virksomhedens markedsværdi på 3,188 billioner USD. Chip‑producenten rapporterede et rekord‑Q1‑2024 med en omsætning på 22,1 milliarder USD.

Konklusion

Så forskere, organisationer og virksomheder verden over arbejder på at fremme kvantecomputing, som udmærker sig i komplekse problem‑løsninger. Fokus på superlederteknologi, i særdeleshed, hjælper med 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 kvantecomputing.