Πληροφορική
Τα Qubits των χιλιοστών του δευτερολέπτου σηματοδοτούν μια σημαντική ανακάλυψη στην κβαντική τεχνολογία
Σημαντική ανακάλυψη στα υπεραγώγιμα qubits κλίμακας χιλιοστού του δευτερολέπτου
Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο εκτελούμε κρυπτογραφία, να υπολογίζουν πολύπλοκες προσομοιώσεις όπως η τρισδιάστατη διαμόρφωση των πρωτεϊνών και πιθανώς να έχουν πολλές ακόμη εφαρμογές που μόλις και μετά βίας μαντεύουμε σήμερα.
Για να λειτουργήσουν, χρειάζονται όσο το δυνατόν πιο σταθερά «qubits», το θεμελιώδες στοιχείο των κβαντικών υπολογισμών. Μέχρι στιγμής, μόνο οι κβαντικοί υπολογιστές «παγιδευμένων ιόντων» έχουν καταφέρει να δημιουργήσουν εξαιρετικά σταθερά qubits. Αλλά αυτή η τεχνολογία είναι εγγενώς πιο δύσκολο να αναπτυχθεί σε κλίμακα από τα υπεραγώγιμα qubits.
Έτσι, ενώ τα υπεραγώγιμα qubits μπορεί να είναι το μέλλον αυτής της τεχνολογίας, απαιτείται βελτίωση στη σταθερότητα του χρόνου συνοχής των qubits τους.
Αυτό ακριβώς πέτυχε μια μεγάλη ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Δημιούργησαν ένα είδος υπεραγώγιμων qubit που μπορούν να διατηρήσουν τη συνοχή για περισσότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου, 3 φορές περισσότερο από το καλύτερο που έχει καταγραφεί ποτέ.
Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο Nature1, υπό τον τίτλο "Χρόνοι ζωής χιλιοστών του δευτερολέπτου και χρόνοι συνοχής σε δισδιάστατα qubits transmon".
Το όριο συνοχής Qubit
Για να εκτελέσει κβαντικούς υπολογισμούς, ένας κβαντικός υπολογιστής πρέπει να διατηρεί «συνοχή», μια ειδική κβαντική κατάσταση που είναι εξαιρετικά ευάλωτη σε παρεμβολές από το περιβάλλον. Γενικά, ο θερμικός θόρυβος και η κίνηση των σωματιδίων τείνουν να καταστρέφουν τη συνοχή σε νανοδευτερόλεπτα.
Σε ειδικές συνθήκες, όπως σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, η διάρκεια ζωής ενός qubit μπορεί να διαρκέσει περισσότερο. Ωστόσο, η αρκετά μεγάλη συνοχή αποτελεί σημαντικό περιορισμό για τους περισσότερους κβαντικούς υπολογιστές σήμερα, οδηγώντας σε σφάλματα υπολογισμού που όχι μόνο μειώνουν τη συνολική υπολογιστική ικανότητα, αλλά δεν μπορούν επίσης να αντισταθμιστούν εύκολα με αναβαθμίσεις λογισμικού.
Επομένως, ο προσδιορισμός του υλικού που είναι σε θέση να διατηρήσει τη συνοχή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα είναι ένα βασικό βήμα προς τα εμπρός που πρέπει να γίνει πριν φτάσουμε στο εμπορικό στάδιο για τη βιομηχανία κβαντικών υπολογιστών.
«Η πραγματική πρόκληση, αυτό που μας εμποδίζει να έχουμε χρήσιμους κβαντικούς υπολογιστές σήμερα, είναι ότι κατασκευάζεις ένα qubit και οι πληροφορίες απλά δεν διαρκούν πολύ.»
Αυτό είναι το επόμενο μεγάλο άλμα προς τα εμπρός.»
Πώς οι ερευνητές επέκτειναν τη συνοχή του Transmon Qubit
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον ίδιο τύπο υπεραγώγιμων qubit που χρησιμοποιούν εταιρείες όπως η Google ή η IBM στον δικό τους κβαντικό υπολογιστή, tqubits ransmon.
Τα qubits transmon έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι υψηλής πιστότητας (πιστότητες πύλης ενός qubit που υπερβαίνουν το 99.9%), είναι δυνατόν να παραχθούν σε κλίμακα και με υψηλούς χρόνους συνοχής 0.1 χιλιοστών του δευτερολέπτου.
Αυτό είναι πολλά υποσχόμενο, αλλά ο χρόνος συνοχής είναι ακόμα πολύ χαμηλός.
Έτσι, όταν οι ερευνητές του Πρίνστον ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα qubit με διάρκεια κατά μέσο όρο 1.68 ms, αυτή είναι μια τεράστια βελτίωση.
Πηγή: Φύση
Αυτή είναι μια διάρκεια qubit 3 φορές μεγαλύτερη από την καλύτερη που δημιουργήθηκε ποτέ σε εργαστήριο και 15 φορές ισχυρότερη από αυτή που χρησιμοποιείται από ιδιωτικές εταιρείες που αναπτύσσουν κβαντικούς υπολογιστές.
Γιατί το ταντάλιο και το πυρίτιο βελτιώνουν την κβαντική συνοχή
Ταντάλιο που ενισχύει τη συνοχή
Για να επιτύχουν αυτό το αποτέλεσμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικές βελτιώσεις στο υλικό που χρησιμοποιήθηκε.
Αρχικά, χρησιμοποίησαν ένα μέταλλο που ονομάζεται ταντάλιο ως βασικό στρώμα για να βοηθήσουν τα εύθραυστα κυκλώματα να διατηρούν ενέργεια. Αυτό συμβαίνει επειδή μικροσκοπικά, κρυμμένα επιφανειακά ελαττώματα στο μέταλλο μπορούν να παγιδεύσουν και να απορροφήσουν ενέργεια καθώς κινείται.
Είναι ιδιαίτερα προβληματικό καθώς προστίθενται περισσότερα qubits σε ένα τσιπ, αυτό το είδος σφάλματος πολλαπλασιάζεται σε σημείο που το καθιστά άχρηστο πέρα από έναν ορισμένο αριθμό.
Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης-διέλευσης (STEM) χρησιμοποιήθηκε για να επιβεβαιωθεί η εξαιρετικά κανονική δομή των κυβικών κρυστάλλων τανταλίου.
Πηγή: Φύση
Σε σύγκριση με μέταλλα όπως το αλουμίνιο, το ταντάλιο έχει πολύ λιγότερα ελαττώματα και είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό στις σκληρές διαδικασίες καθαρισμού που χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση ακαθαρσιών.
«Μπορείτε να βάλετε ταντάλιο σε οξύ και οι ιδιότητες να μην αλλάζουν.»
Η καλλιέργεια τανταλίου απευθείας στο πυρίτιο ήταν μια πρόκληση που απαιτούσε εκτεταμένη προσπάθεια για να ξεπεραστεί.
Σύρετε για κύλιση →
| Υλικό Qubit | Υπόστρωμα | Μέσος χρόνος συνοχής | Πυκνότητα ελαττώματος | Ευκολία Κατασκευής |
|---|---|---|---|---|
| Αλουμίνιο | Ζαφείρι | ms 0.1 | Ψηλά | Μέτριας Δυσκολίας |
| Ταντάλιο | Πυρίτιο υψηλής ειδικής αντίστασης | ms 1.68 | Χαμηλός | Υψηλή (συμβατή με ημιαγωγούς) |
Πυρίτιο που αντικαθιστά το ζαφείρι
Μια άλλη πηγή απώλειας ενέργειας που οδηγεί σε απώλεια συνοχής είναι το υπόστρωμα ζαφειριού που χρησιμοποιείται στα κβαντικά τσιπ.
Αντ' αυτού, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πυρίτιο υψηλής ποιότητας (υψηλής ειδικής αντίστασης), ένα κοινό τυποποιημένο υλικό της παραδοσιακής βιομηχανίας υπολογιστών.
Μαζί, αυτές οι βελτιώσεις στα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτήν την πλατφόρμα τανταλίου-σε-πυρίτιο έκαναν τις προκύπτουσες πύλες ενός qubit να επιτύχουν πιστότητα 99.994%.
Από την πρωτοποριακή εργαστηριακή καινοτομία στα κλιμακώσιμα κβαντικά τσιπ
Οι ερευνητές συνέχισαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδό τους για να κατασκευάσουν ένα πλήρως λειτουργικό κβαντικό τσιπ που ξεπερνά όλα τα προηγούμενα σχέδια.
Επειδή το ποσοστό σφάλματος είναι πολλαπλασιαστικό, αυτός ο τύπος βελτίωσης κλιμακώνεται εκθετικά με το μέγεθος του συστήματος. Ως αποτέλεσμα, η βελτίωση 10-15 φορές στο ποσοστό σφάλματος για μεμονωμένα qubits έχει πολύ μεγαλύτερη επίδραση σε έναν υπολογιστή πολλαπλών qubit.
Είναι σημαντικό ότι ένα τέτοιο qubit δεν είναι μια εξωτική νέα ιδέα, αλλά απλώς ένα «παραδοσιακό» υπεραγώγιμο qubit που χρησιμοποιεί διαφορετικό υλικό, έτσι ώστε να μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε υπάρχοντες κβαντικούς υπολογιστές και να χρησιμοποιηθεί από υπάρχον λογισμικό κβαντικής πληροφορικής.
«Η αντικατάσταση των εξαρτημάτων του Princeton με τον καλύτερο κβαντικό επεξεργαστή της Google, που ονομάζεται Willow, θα του επέτρεπε να λειτουργεί 1,000 φορές καλύτερα.»
Τα οφέλη του qubit του Πρίνστον αυξάνονται εκθετικά καθώς μεγαλώνει το μέγεθος του συστήματος, επομένως η προσθήκη περισσότερων qubit θα αποφέρει ακόμη μεγαλύτερο όφελος.
Αυτό σημαίνει ότι ο σχεδιασμός του Πρίνστον θα μπορούσε να επιτρέψει σε έναν υποθετικό υπολογιστή 1,000 qubit να λειτουργεί περίπου 1 δισεκατομμύριο φορές καλύτερα.
Ακόμα καλύτερα, η χρήση τανταλίου και πυριτίου σημαίνει ότι η μέθοδος κατασκευής ταιριάζει με εκείνες που χρησιμοποιούνται ήδη από τη βιομηχανία ημιαγωγών, καθιστώντας την μαζική παραγωγή ένα ορόσημο πολύ πιο εύκολο στην επίτευξη από μια εντελώς νέα τεχνολογία.
Αυτή η έρευνα φαίνεται να δείχνει ότι τα κβαντικά τσιπ πυριτίου, που συζητήσαμε προηγουμένως, είναι πιθανώς η σωστή κατεύθυνση για τη βιομηχανία κβαντικών υπολογιστών.
Μαζί με καλύτερες κβαντικές πηγές φωτός, υβριδικά κβαντοφωτονικά τσιπκαι η δυνατότητα μεταφοράς κβαντικών πληροφοριών μαζί με την κανονική ροή δεδομένων τηλεπικοινωνιών, αυτά τα βήματα προς πολύ μεγαλύτερους κβαντικούς υπολογιστές δείχνουν ότι η τεχνολογία φτάνει γρήγορα σε εμπορική ωριμότητα.
Επενδύοντας στην Καινοτομία της Κβαντικής Υπολογιστικής
1. Alphabet Inc.
(GOOGL )
Η Google είναι πολύ ενεργή στην κβαντική υπολογιστική, κυρίως μέσω της Εργαστήριο Κβαντικής Τεχνητής Νοημοσύνης της Google και πανεπιστημιούπολη Κβαντικής Τεχνητής Νοημοσύνης στη Σάντα Μπάρμπαρα.
Ο κβαντικός υπολογιστής της Google έγραψε ιστορία το 2019, όταν ισχυρίστηκε ότι είχε επιτύχει «κβαντική υπεροχή» με το μηχάνημα Sycamore. Το μηχάνημα πραγματοποίησε έναν υπολογισμό σε 200 δευτερόλεπτα που θα χρειαζόταν ένας συμβατικός υπερυπολογιστής 10,000 χρόνια.
Αυτό είναι πλέον νανωμένο από η απόδοση του νεότερου τσιπ του, που ονομάζεται WillowΑυτό είναι το πρώτο τσιπ κβαντικής πληροφορικής που έχει αρκετά χαμηλό ποσοστό σφάλματος ώστε όσο περισσότερα qubit προσθέτετε, τόσο λιγότερα σφάλματα λαμβάνετε. Αυτό το καθιστά τον πρώτο σχεδιασμό κβαντικού τσιπ με δυνατότητα κλιμάκωσης.
Αλλά ίσως η μεγαλύτερη συνεισφορά της Google θα είναι στο λογισμικό, μια δραστηριότητα όπου έχει εντυπωσιακό ιστορικό, στην πραγματικότητα καλύτερο από ό,τι στο υλικό (Αναζήτηση, G Suite, Android, κ.λπ.).
Ήδη, η κβαντική τεχνητή νοημοσύνη της Google διαθέτει μια σουίτα λογισμικού που έχει σχεδιαστεί για να βοηθά τους επιστήμονες στην ανάπτυξη κβαντικών αλγορίθμων.
Επίσης, υποστηρίζει ανοιχτά για «ερευνητές, μηχανικοί και προγραμματιστές να συμμετάσχουν μαζί μας σε αυτό το ταξίδι ελέγχοντας το δικό μας Λογισμικό ανοιχτού κώδικα και εκπαιδευτικούς πόρους, συμπεριλαμβανομένων των δικών μας νέο μάθημα για το Coursera, όπου οι προγραμματιστές μπορούν να μάθουν τα βασικά στοιχεία της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων και να μας βοηθήσουν να δημιουργήσουμε αλγόριθμους που μπορούν να λύσουν τα προβλήματα του μέλλοντος."
Χάρη σε αυτήν την ανοιχτή προσέγγιση, η Google ηγείται πλέον τόσο στον τομέα του υλικού όσο και στις λύσεις cloud. Η Google μπορεί να είναι μία από τις εταιρείες που καθορίζουν τα πρότυπα του λογισμικού κβαντικής υπολογιστικής και του κβαντικού προγραμματισμού, δίνοντάς της μια προνομιακή θέση να κατευθύνει τη μελλοντική εξέλιξη του τομέα.
Εν τω μεταξύ, οι λύσεις τεχνητής νοημοσύνης, συμπεριλαμβανομένου του αυτόνομου αυτοκινήτου της Waymo, θα μπορούσαν να γίνουν ο νέος μοχλός εσόδων για την Alphabet, η οποία εξακολουθεί να κατέχει μια εξαιρετικά δεσπόζουσα θέση στις βιομηχανίες αναζήτησης και διαφημίσεων.
Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τις δραστηριότητες της Google που δεν σχετίζονται με την κβαντική τεχνολογία, ειδικά για τις διαφημίσεις και την Τεχνητή Νοημοσύνη, στην ειδική έκθεσή μας από τον Δεκέμβριο του 2024.
Τελευταία Νέα και Εξελίξεις για τις Μετοχές της Alphabet (GOOGL)
Μελέτη στην οποία γίνεται αναφορά:
1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC et al. Χρόνοι ζωής χιλιοστών του δευτερολέπτου και χρόνοι συνοχής σε δισδιάστατα qubits τρανσμονίων. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4
