Millisekunders qubits markerer et gennembrud inden for kvanteteknologi

Gennembrud inden for superledende qubits på millisekundskala

Kvantecomputere kan revolutionere den måde, vi udfører kryptografi på, beregne komplekse simuleringer som proteiners 3D-konfiguration og sandsynligvis have mange flere anvendelser, som vi knap nok gætter på i dag.

For at fungere har de brug for så stabile "qubits" som muligt, det grundlæggende element i kvanteberegning. Indtil videre har kun kvantecomputere med "fangede ioner" formået at generere meget stabile qubits. Men denne teknologi er i sagens natur sværere at skalere op end superledende qubits.

Så selvom superledende qubits kan være fremtiden for denne teknologi, er det nødvendigt med en forbedring af stabiliteten af ​​deres qubits' kohærensstid.

Det er præcis, hvad et stort forskerhold ved Princeton University netop har opnået. De har skabt en type superledende qubits, der kan bevare kohærens i mere end et millisekund, 3 gange længere end de bedste nogensinde registreret.

De offentliggjorde deres resultater i Nature¹, under titlen "Millisekunders levetider og kohærenstider i 2D transmon qubits".

Qubit-kohærensgrænsen

For at udføre kvanteberegninger skal en kvantecomputer opretholde "kohærens", en særlig kvantetilstand, der er ekstremt sårbar over for interferens fra omgivelserne. Generelt har termisk støj og partikelbevægelse en tendens til at ødelægge kohærens på nanosekunder.

Under særlige forhold, som f.eks. ultrakulde forhold, kan en qubits levetid vare længere. Men lang nok kohærens er stadig en væsentlig begrænsning for de fleste kvantecomputere i dag, hvilket fører til beregningsfejl, der ikke kun mindsker den samlede beregningskapacitet, men som heller ikke let kan kompenseres med softwareopgraderinger.

Så det at bestemme, hvilket materiale der er i stand til at opretholde kohærens i længere tid, er et vigtigt skridt fremad, der skal tages, før kvantecomputerindustrien når det kommercielle stadie.

"Den virkelige udfordring, det der forhindrer os i at have brugbare kvantecomputere i dag, er, at man bygger en qubit, og informationen holder simpelthen ikke særlig længe."

Dette er det næste store spring fremad.”

Andrew Houck, dekan for ingeniørvidenskab ved Princeton

Hvordan forskere udvidede Transmon Qubit-kohærens

Forskerne brugte den samme type superledende qubits, som virksomheder som Google eller IBM bruger i deres egne kvantecomputere, tløsepenge-qubits.

Transmon-qubits har den fordel, at de er højfidelitets- (enkelt-qubit gate-fideliteter på over 99.9%), mulige at producere i stor skala og med høje kohærenstider på 0.1 millisekunder.

Det er lovende, men kohærenstiden er stadig for lav.

Så da Princeton-forskerne annoncerede, at de var lykkedes med at skabe en qubit, der i gennemsnit varer 1.68 ms, er det en massiv forbedring.

Kilde: Natur

Dette er en qubit-varighed, der er 3 gange længere end den bedste nogensinde skabt i et laboratorium, og 15 gange stærkere end den, der bruges af private virksomheder, der udvikler kvantecomputere.

Hvorfor tantal og silicium forbedrer kvantekohærens

Tantalforstærkende kohærens

For at opnå dette resultat brugte forskerne to forskellige forbedringer i det anvendte materiale.

Først brugte de et metal kaldet tantal som basislag for at hjælpe de skrøbelige kredsløb med at bevare energi. Dette skyldes, at små, skjulte overfladefejl i metallet kan fange og absorbere energi, når det bevæger sig.

Det er især problematisk, efterhånden som flere qubits tilføjes til en chip, og denne type fejl multipliceres til det punkt, hvor den bliver ubrugelig efter et vist antal.

Skanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) blev brugt til at bekræfte den meget regelmæssige struktur af kubiske tantalkrystaller.

Kilde: Natur

Sammenlignet med metaller som aluminium har tantal meget færre defekter og er meget modstandsdygtigt over for barske rengøringsprocesser, der bruges til at fjerne urenheder.

"Man kan tilsætte tantal i syre, og egenskaberne ændrer sig stadig ikke."

Faranak Bahrami – Forskning ved Princeton University

At dyrke tantal direkte på silicium var en udfordring, der krævede en stor indsats at overvinde.
Stryg for at scrolle →

Silicium erstatter safir

En anden kilde til energitab, der fører til tab af kohærens, er safirsubstratet, der bruges i kvantechips.

I stedet brugte forskerne silicium af høj kvalitet (med høj resistivitet), et almindeligt standardmateriale i den traditionelle computerindustri.

Sammen har disse forbedringer i de materialer, der anvendes i denne tantal-på-silicium-platform, gjort, at de resulterende single-qubit-gates opnår en nøjagtighed på 99.994%.

Fra laboratoriegennembrud til skalerbare kvantechips

Forskerne brugte derefter deres metode til at bygge en fuldt fungerende kvantechip, der overgår alle tidligere designs.

Fordi fejlraten er multiplikativ, skaleres denne type forbedring eksponentielt med systemstørrelsen. Som følge heraf har den 10-15 gange forbedring i fejlraten for individuelle qubits en meget større effekt på en computer med flere qubits.

Det er vigtigt at bemærke, at en sådan qubit ikke er et eksotisk nyt koncept, men blot en "traditionel" superledende qubit, der bruger et andet materiale, så de nemt kan integreres i eksisterende kvantecomputere og bruges af eksisterende kvantecomputersoftware.

"Ved at udskifte Princetons komponenter med Googles bedste kvanteprocessor, kaldet Willow, ville den kunne fungere 1,000 gange bedre."

Fordelene ved Princeton-qubitten vokser eksponentielt i takt med at systemstørrelsen vokser, så tilføjelse af flere qubits ville give endnu større fordele.

Andrew Houck, dekan for ingeniørvidenskab ved Princeton

Det betyder, at Princetons design kan gøre det muligt for en hypotetisk computer på 1,000 qubit at fungere cirka 1 milliard gange bedre.

Endnu bedre betyder brugen af ​​tantal og silicium, at fremstillingsmetoden passer til dem, der allerede anvendes af halvlederindustrien, hvilket gør masseproduktion til en meget lettere milepæl at nå end en helt ny teknologi.

Denne forskning synes at indikere, at silicium-kvantechips, som vi diskuterede tidligere, er sandsynligvis den rigtige retning for kvantecomputerindustrien.

Sammen med bedre kvantelyskilder, hybride kvantefotoniske chipsog muligheden for at transportere kvanteinformation sammen med normal telekommunikationsdatastrøm, disse skridt mod meget større kvantecomputere viser, at teknologien hurtigt når kommerciel modenhed.

Investering i innovation inden for kvantecomputere

1. Alphabet Inc.

Google er meget aktiv inden for kvanteberegning, primært gennem sin Google Quantum AI-laboratorium og Quantum AI-campus i Santa Barbara.

Googles kvantecomputer skrev historie i 2019, da den hævdede at have opnået "kvanteoverherredømme" med sin Sycamore-maskine. Maskinen udførte en beregning på 200 sekunder, der ville have taget en konventionel supercomputer 10,000 år.

Dette er nu overskredet dens nyeste chips ydeevne, kaldet WillowDette er den allerførste kvantecomputerchip, der har en fejlrate, der er lav nok til, at jo flere qubits du tilføjer, desto mindre fejl får du. Det gør den til det allerførste skalerbare kvantechipdesign.

Men måske vil Googles største bidrag være inden for software, en aktivitet hvor de har en imponerende track record, faktisk bedre end inden for hardware (Søgning, G Suite, Android osv.).

Googles kvante-AI stiller allerede en softwarepakke til rådighed, der er designet til at hjælpe forskere med at udvikle kvantealgoritmer.

Det går også åbent ind for "forskere, ingeniører og udviklere til at slutte sig til os på denne rejse ved at tjekke vores open source software og uddannelsesmæssige ressourcer, herunder vores nyt kursus på Coursera, hvor udviklere kan lære det væsentlige i kvantefejlkorrektion og hjælpe os med at skabe algoritmer, der kan løse fremtidens problemer."

Takket være denne åbne tilgang er Google nu førende inden for både hardware og cloudløsninger. Google kan være en af ​​de virksomheder, der sætter standarden for kvantecomputersoftware og kvanteprogrammering, hvilket giver dem en privilegeret position til at styre feltets fremtidige udvikling.

I mellemtiden kan AI-løsninger, herunder Waymos selvkørende bil, blive den nye indtægtsdriver for Alphabet, som stadig har en massivt dominerende position inden for søge- og annoncebranchen.

Du kan læse mere om Googles ikke-kvanterelaterede aktiviteter, især annoncer og AI, i vores dedikerede rapport fra december 2024.

Seneste aktienyheder og udviklinger i alfabetet (GOOGL)

Undersøgelse refereret:

^{1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC et al. Millisekunders levetider og kohærenstider i 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}