Qubits χιλιοσκοπίου σηματοδοτούν μια επανάσταση στην κβαντική τεχνολογία

Επανάσταση σε Υπεραγωγικά Qubits Χιλιοσκοπίου Κλίμακας

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.

Για να λειτουργήσουν, χρειάζονται όσο το δυνατόν πιο σταθερά «qubits», το θεμελιώδες στοιχείο του κβαντικού υπολογισμού. Μέχρι τώρα, μόνο οι κβαντικοί υπολογιστές με «παγιδευμένα ιόντα» κατάφεραν να δημιουργήσουν εξαιρετικά σταθερά qubits. Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία είναι εγγενώς πιο δύσκολη στην κλιμάκωση σε σύγκριση με τα υπεραγωγικά qubits.

Έτσι, ενώ τα υπεραγωγικά qubits μπορεί να είναι το μέλλον αυτής της τεχνολογίας, απαιτείται μια βελτίωση στη σταθερότητα του χρόνου συνοχής των qubits τους.

Ακριβώς αυτό είναι που μόλις πέτυχε μια μεγάλη ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Princeton. Δημιούργησαν έναν τύπο υπεραγωγικών qubits που μπορούν να διατηρήσουν τη συνοχή για περισσότερο από ένα χιλιοσκόπιο, 3x περισσότερο από το καλύτερο που είχε καταγραφεί ποτέ.

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

Το Όριο Συνοχής των Qubit

To perform quantum computation, a quantum computer needs to maintain “coherence”, a special quantum state that is extremely vulnerable to interference from the environment. In general, thermal noise and particle movement tend to destroy coherence in nanoseconds.

Σε ειδικές συνθήκες, όπως υπερβολικά ψυχρές, η διάρκεια ζωής ενός qubit μπορεί να είναι μεγαλύτερη. Ωστόσο, η επαρκής διάρκεια συνοχής παραμένει ένας σημαντικός περιορισμός για τις περισσότερες κβαντικές υπολογιστικές συσκευές σήμερα, οδηγώντας σε σφάλματα υπολογισμού που όχι μόνο μειώνουν τη συνολική υπολογιστική ισχύ, αλλά επίσης δεν μπορούν να αντισταθμιστούν εύκολα με ενημερώσεις λογισμικού.

So determining what material is able to maintain coherence for longer is a key step forward that needs to be made before reaching the commercial stage for the quantum computing industry.

“Η πραγματική πρόκληση, το πράγμα που μας εμποδίζει να έχουμε χρήσιμους κβαντικούς υπολογιστές σήμερα, είναι ότι χτίζεις ένα qubit και οι πληροφορίες δεν διαρκούν πολύ.

Αυτή είναι η επόμενη μεγάλη άλμα μπροστά.”

Andrew Houck, Πρύτανης Μηχανικής του Princeton

Πώς οι Ερευνητές Επέκτειναν τη Συνοχή των Transmon Qubit

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

Τα transmon qubits έχουν το πλεονέκτημα της υψηλής πιστότητας (αξιοπιστία πύλης ενός qubit που υπερβαίνει το 99,9 %), δυνατότητας παραγωγής σε κλίμακα, και υψηλών χρόνων συνοχής 0,1 χιλιοσκοπίου.

Αυτό είναι ενθαρρυντικό, αλλά ο χρόνος συνοχής παραμένει ακόμη πολύ χαμηλός.

Έτσι, όταν οι ερευνητές του Princeton ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα qubit με μέση διάρκεια 1,68 ms, πρόκειται για τεράστια βελτίωση.

Πηγή: Nature

This is a qubit duration 3x longer than the best ever created in a lab, and 15x stronger than the one used by private companies developing quantum computers.

Γιατί το Ταντάλιο και το Πυρίτιο Βελτιώνουν τη Συνοχή των Qubit

Ταντάλιο που Ενισχύει τη Συνοχή

To achieve this result, the researchers used two different improvements in the material used.

Πρώτον, χρησιμοποίησαν ένα μέταλλο που ονομάζεται ταντάλιο ως βασική στρώση για να βοηθήσουν τα ευαίσθητα κυκλώματα να διατηρήσουν την ενέργεια. Αυτό συμβαίνει επειδή μικρά, κρυφά ελαττώματα στην επιφάνεια του μετάλλου μπορούν να παγιδεύσουν και να απορροφήσουν την ενέργεια καθώς αυτή κινείται.

Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό καθώς προστίθενται περισσότερα qubits σε ένα chip· αυτό το είδος σφάλματος πολλαπλασιάζεται μέχρι το σημείο που το chip γίνεται άχρηστο πέρα από έναν ορισμένο αριθμό.

Η Σάρωση Μετάδοσης Ηλεκτρονίων (STEM) χρησιμοποιήθηκε για την επιβεβαίωση της εξαιρετικά τακτικής δομής των κυβικών κρυστάλλων τανταλίου.

Πηγή: Nature

Compared to metals like aluminum, tantalum has a lot fewer defects, and is highly resistant to harsh cleaning processes used to remove impurities.

“Μπορείς να βάλεις ταντάλιο σε οξύ, και οι ιδιότητες δεν αλλάζουν.”

Faranak Bahrami – Ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Princeton

Growing tantalum directly on silicon was a challenge that took extensive effort to overcome.
Σύρετε για κύλιση →

Το Πυρίτιο Αντικαθιστά το Σαπφείρι

Another source of energy loss leading to losing coherence is the sapphire substrate used in quantum chips.

Αντί αυτού, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υψηλής ποιότητας (υψηλής αντίστασης) πυρίτιο, ένα κοινό πρότυπο υλικό της παραδοσιακής βιομηχανίας υπολογιστών.

Together, these improvements in the materials used in this tantalum-on-silicon platform made the resulting single-qubit gates achieve 99.994% fidelity.

Από την Επανάσταση στο Εργαστήριο σε Κλιμακώσιμα Κβαντικά Chips

The researchers went on to use their method to build a fully functioning quantum chip that outperforms all previous designs.

Επειδή το ποσοστό σφάλματος είναι πολλαπλασιαστικό, αυτό το είδος βελτίωσης κλιμακώνεται εκθετικά με το μέγεθος του συστήματος. Ως αποτέλεσμα, η βελτίωση 10‑15x στο ποσοστό σφάλματος για μεμονωμένα qubits έχει πολύ μεγαλύτερη επίδραση σε έναν πολυ‑qubit υπολογιστή.

Importantly, such a qubit is not an exotic new concept, but simply a “traditional” superconducting qubit using a different material, so they can easily be integrated into existing quantum computers and be used by existing quantum computing software.

“Η αντικατάσταση των εξαρτημάτων του Princeton στο καλύτερο κβαντικό επεξεργαστή της Google, που ονομάζεται Willow, θα το έκανε να λειτουργεί 1.000 φορές καλύτερα.

Τα οφέλη του qubit του Princeton αυξάνονται εκθετικά καθώς το μέγεθος του συστήματος αυξάνεται, οπότε η προσθήκη περισσότερων qubits θα προσφέρει ακόμη μεγαλύτερο όφελος.”

Andrew Houck, Πρύτανης Μηχανικής του Princeton

This means Princeton’s design could enable a hypothetical 1,000-qubit computer to work roughly 1 billion times better.

Ακόμη καλύτερα, η χρήση τανταλίου και πυριτίου σημαίνει ότι η μέθοδος κατασκευής ταιριάζει με τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους της ημιαγωγούς βιομηχανίας, καθιστώντας την μαζική παραγωγή πολύ πιο εφικτό ορόσημο σε σύγκριση με μια εντελώς νέα τεχνολογία.

Αυτή η έρευνα φαίνεται να υποδεικνύει ότι τα πυριτικά κβαντικά chips, τα οποία συζητήσαμε προηγουμένως, είναι πιθανώς η σωστή κατεύθυνση για τη βιομηχανία κβαντικού υπολογισμού.

Together with καλύτερες κβαντικές πηγές φωτός, υβριδικά κβαντικά‑φωτονικά chips, and τη δυνατότητα μεταφοράς κβαντικής πληροφορίας μαζί με το κανονικό τηλεπικοινωνιακό ρεύμα δεδομένων, these steps toward much larger quantum computers show that the technology is quickly reaching commercial maturity.

Επένδυση στην Καινοτομία του Κβαντικού Υπολογισμού

1. Alphabet Inc.

Η Google είναι πολύ ενεργή στον κβαντικό υπολογισμό, κυρίως μέσω του Google Quantum AI lab και του Quantum AI campus στο Σάντα Μπάρμπαρα.

Ο κβαντικός υπολογιστής της Google έκανε ιστορία το 2019 όταν ισχυρίστηκε ότι πέτυχε «κβαντική υπεροχή» με τη μηχανή Sycamore. Η μηχανή εκτέλεσε έναν υπολογισμό σε 200 δευτερόλεπτα που θα έπαιρνε 10.000 χρόνια σε έναν συμβατικό υπερυπολογιστή.

Αυτό τώρα φαίνεται μικρό σε σύγκριση με την απόδοση του νεότερου chip της, που ονομάζεται Willow. Αυτό είναι το πρώτο κβαντικό chip που έχει τόσο χαμηλό ποσοστό σφάλματος ώστε όσο περισσότερα qubits προσθέτεις, τόσο λιγότερο σφάλμα προκύπτει. Το καθιστά το πρώτο κλιμακώσιμο σχέδιο κβαντικού chip.

Αλλά ίσως η μεγαλύτερη συμβολή της Google θα είναι στο λογισμικό, μια δραστηριότητα όπου έχει εντυπωσιακό ιστορικό, στην πραγματικότητα καλύτερο από το υλικό (Search, G Suite, Android, κ.λπ.).

Ήδη, το Quantum AI της Google προσφέρει μια σουίτα λογισμικού σχεδιασμένη να βοηθάει τους επιστήμονες στην ανάπτυξη κβαντικών αλγορίθμων.

Επίσης προωθεί ανοιχτά την «συμμετοχή ερευνητών, μηχανικών και προγραμματιστών στο ταξίδι μας, ελέγχοντας το ανοιχτό λογισμικό και τους εκπαιδευτικούς πόρους, συμπεριλαμβανομένου του νέου μαθήματος στο Coursera, όπου οι προγραμματιστές μπορούν να μάθουν τα βασικά της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων και να μας βοηθήσουν να δημιουργήσουμε αλγορίθμους που θα λύσουν τα προβλήματα του μέλλοντος.»

Χάρη σε αυτήν την ανοιχτή προσέγγιση, η Google ηγείται τώρα τόσο στο υλικό όσο και στις λύσεις cloud. Η Google μπορεί να είναι μία από τις εταιρείες που θέτουν τα πρότυπα του λογισμικού κβαντικού υπολογισμού και του κβαντικού προγραμματισμού, δίνοντάς της μια προνομιούχα θέση για να καθοδηγήσει την εξέλιξη του πεδίου.

Εν τω μεταξύ, οι λύσεις AI, συμπεριλαμβανομένου του αυτόνομου οχήματος Waymo, μπορεί να γίνουν η νέα πηγή εσόδων για την Alphabet, η οποία εξακολουθεί να κατέχει κυρίαρχη θέση στις βιομηχανίες αναζήτησης & διαφημίσεων.

You can learn more about Google’s non-quantum-related activities, especially ads and AI, in our dedicated report from December 2024.

Τελευταία Ειδησεία και Αναπτύξεις για το Μετοχικό Σύμβολο Alphabet (GOOGL)

Μελέτη Αναφορά:

^{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}