Millisekund‑Qubitter markerer et gennembrud i kvanteteknologi

Gennembrud i millisekund‑skala superledende qubitter

Quantum computers could revolutionize how we perform cryptography, calculate complex simulations like proteins’ 3D configuration, and probably have many more applications we are barely guessing today.

For at fungere har de brug for så stabile som muligt “qubits”, det grundlæggende element i kvanteberegning. Hidtil har kun “fangede ion‑” kvantecomputere formået at generere yderst stabile qubitter. Men denne teknologi er iboende sværere at skalere op end superledende qubitter.

Så selvom superledende qubitter kan være fremtiden for denne teknologi, kræves en forbedring af stabiliteten i deres qubits’ kohærenstid.

Det er netop, hvad et stort hold af forskere ved Princeton University netop har opnået. De skabte en type superledende qubitter, der kan bevare kohærens i mere end et millisekund, 3‑gange længere end den hidtil bedste registrerede værdi.

They published their findings in Nature¹, under the title “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.

Qubit‑kohærensgrænsen

For at udføre kvanteberegning 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 kohærensen inden for nanosekunder.

Under særlige forhold, såsom ultrakolde betingelser, kan en qubits levetid vare længere. Men selv da er tilstrækkelig kohærens en væsentlig begrænsning for de fleste kvantecomputere i dag, hvilket fører til beregningsfejl, der ikke kun reducerer den samlede beregningskapacitet, men også svært kan kompenseres med softwareopgraderinger.

Derfor er bestemmelsen af, hvilket materiale der kan opretholde kohærens i længere tid, et vigtigt skridt fremad, som skal tages, før kvantecomputingsindustrien når det kommercielle stadium.

“Den reelle udfordring, den ting der forhindrer os i at have brugbare kvantecomputere i dag, er at du bygger en qubit, og informationen holder simpelthen ikke særlig længe.

Dette er det næste store skridt fremad.”

Andrew Houck, dekan for ingeniørvidenskab på Princeton

Hvordan forskerne udvidede transmon‑qubit‑kohærensen

The researchers used the same type of superconducting qubits used by firms like Google or IBM in their own quantum computer, transmon qubits.

Transmon‑qubitter har fordelen at være høj‑fidelitet (enkelt‑qubit‑gate‑fideliteter over 99,9 %), mulige at producere i stor skala og med høje kohærenstider på 0,1 millisekund.

Dette er lovende, men kohærenstiden er stadig for lav.

Så da Princeton‑forskerne annoncerede, at de havde formået at skabe en qubit med en gennemsnitlig levetid på 1,68 ms, var det en enorm forbedring.

Kilde: Nature

Dette er en qubit‑varighed, der er 3‑gange længere end den hidtil bedste, der er skabt i et laboratorium, og 15‑gange stærkere end den, som private virksomheder, der udvikler kvantecomputere, bruger.

Hvorfor tantal og silicium forbedrer kvantekohærens

Tantal øger kohærensen

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

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

Det er især problematisk, når flere qubitter tilføjes til en chip; denne type fejl multipliceres til det punkt, hvor den bliver ubrugelig efter et vist antal.

Scanning transmission electron microscopy (STEM) blev brugt til at bekræfte den meget regelmæssige struktur af kubiske krystaller af tantal.

Kilde: Nature

Sammenlignet med metaller som aluminium har tantal langt færre fejl og er meget modstandsdygtigt over for hårde renseprocesser, der bruges til at fjerne urenheder.

“Du kan lægge 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 omfattende indsats for at overvinde.

Swipe for at rulle →

Silicium erstatter safir

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

I stedet brugte forskerne høj‑kvalitets (høj‑resistiv) silicium, et almindeligt standardmateriale i den traditionelle computerindustri.

Sammen gjorde disse forbedringer i de anvendte materialer på denne tantal‑på‑silicium‑platform, at de resulterende enkelt‑qubit‑gate opnåede 99,994 % fidelitet.

Fra laboratoriegennembrud til skalerbare kvantechips

Forskerne gik videre med at bruge deres metode til at bygge en fuldt funktionel kvantechip, der overgår alle tidligere design.

Da fejlraten er multiplicativ, skalerer denne type forbedring eksponentielt med systemstørrelsen. Som resultat har den 10‑15‑gange forbedring i fejrraten for individuelle qubitter en langt større effekt på en multi‑qubit‑computer.

Vigtigt er, at en sådan qubit ikke er et eksotisk nyt koncept, men blot en “traditionel” superledende qubit, der bruger et andet materiale, så de let kan integreres i eksisterende kvantecomputere og anvendes af eksisterende kvantecomputersoftware.

“At udskifte Princetons komponenter ind i Googles bedste kvanteprocessor, kaldet Willow, ville gøre den 1.000 gange bedre.

Fordelene ved Princeton‑qubittet vokser eksponentielt, efterhånden som systemstørrelsen vokser, så tilføjelse af flere qubitter vil give endnu større fordel.”

Andrew Houck, dekan for ingeniørvidenskab på Princeton

Dette betyder, at Princetons design kunne gøre en hypotetisk 1.000‑qubit‑computer omkring 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 ser ud til at indikere, at silicium‑kvantechips, som vi tidligere har diskuteret, sandsynligvis er den rette retning for kvantecomputingsindustrien.

Sammen med bedre kvante‑lyskilder, hybride kvante‑fotonske chips, og muligheden for at transportere kvanteinformation sammen med normal telekom‑datastream, viser disse skridt mod meget større kvantecomputere, at teknologien hurtigt når kommerciel modenhed.

Investering i innovation inden for kvantecomputing

1. Alphabet Inc.

Google er meget aktiv inden for kvantecomputing, primært gennem sit Google Quantum AI‑laboratorium og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantecomputer skrev historie i 2019, da den hævdede at have opnået “kvante‑overlegenhed” med sin Sycamore‑maskine. Maskinen udførte en beregning på 200 sekunder, som en konventionel supercomputer ville have brugt 10.000 år på.

Dette er nu overskygget af dens nyeste chips ydeevne, kaldet Willow. Dette er den allerførste kvantecomputing‑chip, der har en fejrrate så lav, at jo flere qubitter du tilføjer, jo mindre fejl får du. Det gør den til det allerførste skalerbare kvantechip‑design.

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

Allerede gør Googles Quantum AI en suite af software tilgængelig, designet til at hjælpe forskere med at udvikle kvantealgoritmer.

It also openly advocates for “forskerne, ingeniører og udviklere til at slutte sig til os på denne rejse ved at tjekke vores open source software og uddannelsesressourcer, herunder vores nye kursus på Coursera, hvor udviklere kan lære det grundlæggende i kvante‑fejlkorrektion og hjælpe os med at skabe algoritmer, der kan løse fremtidens problemer.”

Takket være denne åbne tilgang er Google nu førende inden for hardware såvel som deres cloud‑løsninger. Google kan være et af de firmaer, der fastsætter standarderne for kvantecomputingssoftware og kvanteprogrammering, hvilket giver dem en privilegeret position til at styre feltets fremtidige udvikling.

Samtidig kan AI‑løsninger, herunder Waymos selvkørende bil, blive den nye indtægtsdriver for Alphabet (GOOG ), som stadig har en massivt dominerende position inden for søge‑ og annoncebranchen.

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

Seneste Alphabet (GOOGL) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}