Κβαντικά Σπασίδια Κοντά στην Πραγματικότητα με Επεκτάσιμο Σιλικόνιο Σχέδιο

Οι ερευνητές της Diraq αποκάλυψαν μια εμπορικά βιώσιμη μέθοδο κατασκευής κβαντικού bit υψηλής πιστότητας σε κλίμακα, η οποία θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον τομέα της υπολογιστικής. Αυτή η απόδειξη της αρχής χρησιμοποιεί παραδοσιακές διαδικασίες παραγωγής που έχουν χρησιμοποιηθεί για δεκαετίες, προκειμένου να παρέχουν αξιόπιστα, μεγάλης κλίμακας, ανθεκτικά σε σφάλματα κβαντικά τσιπ υπολογιστών που διατηρούν μέγιστη πιστότητα. Αυτό που πρέπει να γνωρίζετε.

Η Ζήτηση για Προσιτούς Κβαντικούς Υπολογιστές Αυξάνεται

Υπάρχει μια αυξανόμενη ζήτηση για υπηρεσίες κβαντικού υπολογισμού και ειδικούς. Σύμφωνα με πρόσφατες αναφορές, οι εταιρείες έχουν ήδη δαπανήσει 2,35 δισεκατομμύρια δολάρια για κβαντικές υπηρεσίες πέρυσι. Επιπλέον, ο τομέας έχει βιώσει σημαντική αύξηση στην πρόσληψη, με τα στατιστικά του LinkedIn να δείχνουν αύξηση 180% στις εταιρείες που αναζητούν κβαντικούς επαγγελματίες μεταξύ 2020 και 2024.

Υπάρχουν πολλοί λόγοι για την αύξηση της ζήτησης κβαντικού υπολογισμού. Ένας από αυτούς είναι οι στρατιωτικές εφαρμογές. Σε όλο τον κόσμο, οι στρατοί έχουν επενδύσει σημαντικό χρηματοδοτικό ποσό με την ελπίδα να αποκτήσουν ανταγωνιστικό πλεονέκτημα έναντι των αντιπάλων τους.

Πρωτοβουλία Κβαντικού Benchmarking

Η Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Έργων Άμυνας των ΗΠΑ (DARPA) φιλοξενεί επί του παρόντος την Πρωτοβουλία Κβαντικού Benchmarking. Ο στόχος αυτού του έργου είναι να καθορίσει εάν τα κβαντικά τσιπ μπορούν να κλιμακωθούν και να γίνουν πιο ανθεκτικά από το τρέχον σχέδιό τους, το οποίο διαθέτει ευαίσθητη κβαντική κατάσταση.

Για την επίτευξη αυτού του στόχου, έχουν επιλεγεί 18 εταιρείες για να ανταγωνιστούν μεταξύ τους ώστε να επιτύχουν κλίμακα χρηστικότητας στον τομέα του κβαντικού υπολογισμού. Η κλίμακα χρηστικότητας είναι ένας όρος που αναφέρεται στην ικανότητα του κβαντικού υπολογισμού να λύνει προβλήματα που υπερβαίνουν κατά πολύ τα σημερινά υπερυπολογιστές.

Αυτό το έργο θα απαιτήσει διόρθωση σφαλμάτων σε πραγματικό χρόνο για να πληροί τις απαιτήσεις υψηλής πιστότητας. Η πιστότητα αναφέρεται στην ακρίβεια του τσιπ. Οι μηχανικοί θα πρέπει να δημιουργήσουν ένα κβαντικό τσιπ που μπορεί να αποθηκεύει και να προσπελάζει τεράστιες ποσότητες πληροφορίας, διατηρώντας αξιόπιστα πάνω από 100 qubits μέσα στην ευαίσθητη κβαντική κατάσταση.

Κβαντικά Τσιπ Βασισμένα σε Σιλικόνιο

Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι σχεδίων κβαντικών τσιπ που έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία κβαντικού υλικού. Ωστόσο, η εισαγωγή κβαντικών τσιπ βασισμένων σε σιλικόνιο προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα.

Κατ’ αρχάς, μπορούν να αξιοποιήσουν τα δισεκατομμύρια δολάρια σε υποδομές και στρατηγικές κατασκευής που ήδη υπάρχουν για τα παραδοσιακά τσιπ. Επιπλέον, τα τσιπ μπορούν να φιλοξενήσουν εκατομμύρια qubits σε ένα μόνο τσιπ. Αυτά τα qubits τοποθετούνται με ακρίβεια ώστε να παρέχουν αποδοτικό κβαντικό υπολογισμό.

Τα Επόμενα Βήματα

Αναγνωρίζοντας το δυναμικό που προσφέρει η τεχνολογία σιλικόνιο spin-qubit, οι μηχανικοί έχουν αναζητήσει τρόπους βελτίωσης αυτών των σχεδίων τσιπ. Η έρευνά τους περιελάμβανε εκτεταμένες εργαστηριακές δοκιμές. Τα εργαστηριακά αποτελέσματα αποδείχθηκαν ακριβή. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, δεν έχει γίνει προσπάθεια να διαπιστωθεί εάν το ίδιο επίπεδο ακρίβειας μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής βιομηχανικής κλίμακας.

Πηγή – Nature

Για την επίτευξη αυτού του έργου, οι μηχανικοί πρέπει να ξεπεράσουν αρκετές υλικές προκλήσεις. Το σχέδιό τους θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη την παρεμβολή που προκαλείται από θόρυβο φορτίου και στατική αταξία. Αυτά τα προβλήματα προκύπτουν λόγω ελαττωμάτων και παγίδων στα διεπαφικά και οξειδικά στρώματα που βρίσκονται στα σχέδια σιλικόνιου τσιπ.

Μελέτη Κατασκευής Κβαντικών Τσιπ Μεγάλης Κλίμακας

Η πρόσφατη μελέτη «Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹», που δημοσιεύτηκε στις 24 Σεπτεμβρίου στο Nature, παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για κρίσιμες μετρήσεις που είναι υπεύθυνες για την επίτευξη κβαντικών τσιπ με δυνατότητα κλιμάκωσης.

Συνδέει τις δυνατότητες παρακολούθησης σε πραγματικό χρόνο με τη δυνατότητα διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων. Συγκεκριμένα, επισημαίνει συσχετισμούς μεταξύ ηλεκτρικού θορύβου και μεταφοράς Hall bar. Στο πλαίσιο της εργασίας, η Diraq σχεδίασε ένα νέο λογισμικό μοντελοποίησης σχεδίου τσιπ.

Συνεργάστηκαν με την εταιρεία κατασκευής τσιπ imec, η οποία ήταν υπεύθυνη για την τελική παραγωγή της συσκευής. Από εκεί, η ομάδα δημιούργησε διάφορα σχέδια χρησιμοποιώντας πυρήνες σιλικόνιο και παραδοσιακή γεωμετρία CMOS.

Τυπικά Εργαλεία

Οι μηχανικοί εστίασαν σε αρκετές συσκευές δύο-qubit που χρησιμοποίησαν επίπεδο μεταλλικό‑οξειδικό‑ημιαγωγό με πολυσιλικόνιο πύλες. Οι συσκευές κατασκευάστηκαν με χρήση τυπικών εργαλείων ημιαγωγών σε περιβάλλον κατασκευής 300 mm. Συγκεκριμένα, η αρχιτεκτονική περιελάμβανε διπλό κβαντικό ντότ και μονοηλεκτρονικό τρανζίστορ (SET), το οποίο παρείχε ανάγνωση spin σε πραγματικό χρόνο.

Σημαντικό είναι ότι τα τέσσερα ηλεκτρόνια στο διπλό ντότ, που σχηματίζονται κάτω από τα ηλεκτρόδια πύλης plunger της συσκευής, καθιστούν δυνατό τον έλεγχο της διαπεραστικότητας μεταξύ των ντότ και παρέχουν ανάλυση θορύβου. Από εκεί, ολόκληρη η μονάδα τοποθετήθηκε σε ψυκτικό διαρροής 3He/4He που ρυθμίστηκε σε βασική θερμοκρασία 10 mK σε απομονωμένη λειτουργία.

Δοκιμή του Νέου Σχεδίου Κβαντικού Τσιπ

Για να δοκιμάσουν το κατασκεύασμά τους, η ομάδα υπέβαλε τη συσκευή σε διάφορες πειραματικές συνθήκες που δημιουργήθηκαν στο ερευνητικό εργαστήριο του UNSW. Το πρώτο βήμα ήταν η αξιολόγηση της βασικής λειτουργικότητας του qubit του τσιπ. Αυτή η δοκιμή περιελάμβανε έλεγχο τόσο των πυλών ενός όσο και δύο qubit και καταγραφή των ποσοστών σφάλματος.

Σημαντικό είναι ότι η ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύγχρονο εργαλείο τομογραφίας συνόλου πυλών (GST) για να αποκτήσει πολύτιμες πληροφορίες για την κβαντική κατάσταση σε πραγματικό χρόνο. Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να προσδιορίσουν παράγοντες παρεμβολής όπως η διασταυρούμενη επαφή (crosstalk) και η διάκριση μεταξύ στοχαστικών και συνεκτικών σφαλμάτων.

Μετά την τεκμηρίωση τεσσάρων σχεδίων, πραγματοποίησαν μετρήσεις κρυο-εξερεύνησης σε άλλες 16 επιλογές. Κάθε τσιπ είχε ελαφρώς διαφορετικό σχήμα και αρχιτεκτονική, επιτρέποντας στην ομάδα να αποκτήσει γνώση για το πώς το σχέδιό τους παρέχει ομοιόμορφο ηλεκτροστατικό έλεγχο πάνω στα ηλεκτρόδια πύλης της συσκευής.

Αποτελέσματα Δοκιμών της Μελέτης Κατασκευής Κβαντικών Τσιπ Μεγάλης Κλίμακας

Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν ότι η ιδέα ήταν επιτυχής. Η ομάδα έδειξε υψηλή απόδοση των qubits στο wafer 300 mm χρησιμοποιώντας παραδοσιακές εγκαταστάσεις ημιαγωγών. Τα δεδομένα τους υποδεικνύουν ότι το τσιπ λειτούργησε ακριβώς όπως προβλέφθηκε. Τanto σε μονάδες ελέγχου ενός όσο και δύο qubit, ξεπέρασε το 99 % ακρίβειας σε όλες τις τέσσερις συσκευές.

Οφέλη της Μελέτης Κατασκευής Κβαντικών Τσιπ Μεγάλης Κλίμακας

Σύρετε για κύλιση →

Η μελέτη αυτή προσφέρει πολλά οφέλη στη βιομηχανία. Κατ’ αρχάς, παρείχε πολύτιμες επιστημονικές γνώσεις για την υπέρβαση των τεχνικών περιορισμών των στρατηγικών κατασκευής κβαντικού υπολογισμού μεγάλης κλίμακας. Επίσης, έδειξε έναν τρόπο ενσωμάτωσης κβαντικών τσιπ στην μαζική παραγωγή στο μέλλον.

Ακρίβεια

Μία από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις είναι ότι η διαδικασία της κατασκευής δεν μείωσε την ακρίβεια ή την πιστότητα των κβαντικών τσιπ. Στην πραγματικότητα, έδειξε ότι τα κβαντικά τσιπ βασισμένα σε σιλικόνιο μπορούν να διατηρήσουν ακρίβεια παγκόσμιας κλάσης όταν δημιουργούνται με χρήση σύγχρονων στρατηγικών spin-qubit συνδυασμένων με διόρθωση σφαλμάτων σε πραγματικό χρόνο.

Μαζική Κατασκευή

Ο κύριος στόχος της μελέτης ήταν να αποδείξει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές βασισμένοι σε σιλικόνιο μπορούν να αξιοποιήσουν τη ώριμη βιομηχανία ημιαγωγών. Οι μηχανικοί πέτυχαν αυτόν τον στόχο, ανοίγοντας το δρόμο για ευρεία υιοθέτηση αυτών των τσιπ.

Πραγματικές Εφαρμογές & Χρονοδιάγραμμα

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για αυτή τη μελέτη. Κατ’ αρχάς, θα βοηθήσει στην παροχή ενός βιώσιμου δρόμου για τη μαζική παραγωγή αξιόπιστων κβαντικών τσιπ σιλικόνιου. Αυτές οι συσκευές θα διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο σε πολλούς υψηλής τεχνολογίας κλάδους, όπως η τεχνητή νοημοσύνη, η αεροδιαστημική, η ιατρική, η μοντελοποίηση κλίματος και πολλά άλλα.

Χρονοδιάγραμμα Μελέτης Κατασκευής Κβαντικών Τσιπ Μεγάλης Κλίμακας

Θα χρειαστούν 7–10 χρόνια πριν μπορέσετε να επισκεφθείτε το τοπικό κατάστημα υπολογιστών και να δείτε συσκευές με κβαντική ισχύ σε προσιτή τιμή. Ωστόσο, αυτή η εργασία ανοίγει το δρόμο για λογικά τιμολογημένους κβαντικούς υπολογιστές την επόμενη δεκαετία.

Ερευνητές της Μελέτης Κατασκευής Κβαντικών Τσιπ Μεγάλης Κλίμακας

Για να επιτύχει η Μελέτη Κατασκευής Κβαντικών Τσιπ Μεγάλης Κλίμακας, η Diraq, μια νεοσύστατη εταιρεία nano-tech του UNSW Σίδνεϊ, συνεργάστηκε με το ευρωπαϊκό ινστιτούτο νανοηλεκτρονικής Interuniversity Microelectronics Centre (imec). Σημαντικό είναι ότι η Diraq είχε προηγουμένως παρουσιάσει ένα σχέδιο σιλικόνιου τσιπ που κατασκεύαζε qubits χρησιμοποιώντας τις διαδικασίες CMOS στο εργαστήριό της.

Αυτό το βήμα ενέπνευσε την ομάδα να προωθήσει περαιτέρω την τεχνολογία, επιτρέποντας τη χρήση μεθόδων μεγάλης κλίμακας κατασκευής. Αυτή η θεμελιώδης επίτευξη ανοίγει το δρόμο για μαζική παραγωγή κβαντικών τσιπ βασισμένων σε σιλικόνιο, που θα χρησιμοποιηθούν σε όλα, από τη μεταφορά έως τις ιατρικές συσκευές.

Μελλοντικές Κατευθύνσεις Έρευνας

Σχολιάζοντας τα σχέδιά τους, οι μηχανικοί σχεδιάζουν περαιτέρω διερεύνηση μεγάλων διαμορφώσεων και υψηλότερων κατανομών ηλεκτρονίων. Ο στόχος τους είναι να αποκτήσουν καλύτερη κατανόηση της φυσικής προέλευσης των παρατηρούμενων μηχανισμών σφαλμάτων και να δημιουργήσουν μοντέλα που μπορούν να προβλέπουν και να αποτρέπουν με ακρίβεια αυτές τις εμφανίσεις. Εάν πετύχουν, αυτή η εργασία θα προσφέρει σαφή διαδρομή προς ακόμη υψηλότερη απόδοση στον κλάδο.

Επένδυση στον Κβαντικό Υπολογισμό

Πολλοί προγραμματιστές κβαντικών υπολογιστών δραστηριοποιούνται παγκοσμίως. Αυτές οι εταιρείες συνεχίζουν να ωθούν τα όρια της υπολογιστικής επενδύοντας συνεχώς στην Έρευνα & Ανάπτυξη για τη μείωση του κόστους κατασκευής. Εδώ είναι μια εταιρεία που παραμένει πνεύμα πρωτοπόρου στην αγορά και αναγνωρίζεται ως ηγέτης του κλάδου.

Rigetti Computing

Η Rigetti Computing εισήλθε στην αγορά το 2013. Βρίσκεται στην Καλιφόρνια και ιδρύθηκε από τον φυσικό Chad Rigetti. Η αρχική εστίαση της Rigetti Computing ήταν η δημιουργία και διατήρηση υπερχώστων qubits. Αυτή η προσέγγιση περιελάμβανε τη δημιουργία πλήρους στοίβας υπερχώστων κβαντικών συστημάτων και άλλου κρίσιμου υλικού.

Σημαντικό είναι ότι η Rigetti Computing ήταν πάντα πνεύμα πρωτοπόρου στην αγορά. Για παράδειγμα, παρουσίασε τον πρώτο κβαντικό επεξεργαστή το 2016. Αυτό το τσιπ 3-qubit άνοιξε το δρόμο για μελλοντικές καινοτομίες, συμπεριλαμβανομένης της κυκλοφορίας του περιβάλλοντος προγραμματισμού κβαντικών Forest, που βοήθησε στην ανάπτυξη αλγορίθμων.

Το 2017, η Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) λανσάρεται, παρέχοντας πρόσβαση σε κβαντικά τσιπ υψηλής ισχύος σε επίπεδο επιχείρησης. Αυτή η κίνηση ακολουθήθηκε γρήγορα με το άνοιγμα μιας νέας εγκατάστασης κατασκευής στο Fremont, CA, το ίδιο έτος. Αυτές οι κινήσεις βοήθησαν στην ενίσχυση της θέσης και των δυνατοτήτων παραγωγής της εταιρείας.

Το 2024, η Rigetti Computing παρουσίασε τους επεξεργαστές 32-qubit της. Αυτή η κίνηση ακολουθήθηκε από στρατηγική συνεργασία με την AWS. Όλες αυτές οι κινήσεις ενίσχυσαν τη θέση της Rigetti Computing στην αγορά και την εμπιστοσύνη των καταναλωτών. Συνεπώς, σήμερα θεωρείται εξαιρετικός τρόπος για να αποκτήσει κάποιος έκθεση στον κλάδο του κβαντικού υπολογισμού.

Τελευταία Νέα και Απόδοση Μετοχής BDX (RGTI)

Μελέτη Κατασκευής Κβαντικών Τσιπ Μεγάλης Κλίμακας | Συμπέρασμα

Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τους οποίους η δημιουργία κβαντικών τσιπ σιλικόνιου που μπορούν να αξιοποιήσουν τη ώριμη βιομηχανία ημιαγωγών αποτελεί νίκη για όλους. Κατ’ αρχάς, θα προωθήσει τη μείωση του κόστους και περαιτέρω έρευνα. Επίσης, θα εμπνεύσει περισσότερη τεχνολογική καινοτομία στο μέλλον.

Μάθετε για άλλα συναρπαστικά επιτεύγματα κβαντικού υπολογισμού Εδώ.

Αναφορές

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). Κυψέλες μονάδων σιλικόνιου spin-qubit συμβατές με τη βιομηχανία που υπερβαίνουν το 99% πιστότητας. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}