Kvanttipiirit lähellä todellisuutta skaalautuvalla piisirulla

Diraq-tutkijat esittelivät kaupallisesti toteuttamiskelpoisen, korkean tarkkuuden kvanttibitin mittakaavassa valmistusmenetelmän, joka voisi mullistaa laskentasektorin. Tämä periaatteen todistus hyödyntää perinteisiä valmistusprosesseja, joita on käytetty vuosikymmeniä luotettavien, suurimittakaavaisten, vikakestävien kvanttitietokonepiirien tuottamiseen, jotka säilyttävät maksimaalisen tarkkuuden. Tässä on, mitä sinun tulee tietää.

Edullisten kvanttitietokoneiden kysyntä on kasvussa

Kvanttilaskentapalveluiden ja -asiantuntijoiden kysyntä kasvaa. Tuoreiden raporttien mukaan yritykset ovat jo käyttäneet viime vuonna 2,35 miljardia dollaria kvanttipalveluihin. Lisäksi alalla on tapahtunut merkittävä rekrytointiin nousu, ja LinkedInin tilastot osoittavat 180 %:n kasvun yrityksissä, jotka etsivät kvanttialan ammattilaisia vuosien 2020 ja 2024 välillä.

Kvanttilaskennan kysynnän nousulle on monia syitä. Yksi näistä on sotilaalliset sovellukset. Maailmanlaajuisesti armeijat ovat investoineet merkittäviä varoja saadakseen kilpailuetua vastustajiinsa nähden.

Quantum Benchmarking -aloite

Yhdysvaltain Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) is currently hosting the Quantum Benchmarking Initiative. Tämän projektin tavoitteena on selvittää, voidaanko kvanttilaskentapiirit skaalata ja tehdä kestävämmiksi kuin nykyinen hauras kvanttitila.

Tämän tehtävän toteuttamiseksi 18 yritystä on valittu kilpailemaan keskenään saavuttaakseen hyötyskaalan kvanttilaskentasektorilla. Hyötyskaala tarkoittaa kvanttilaskennan kykyä ratkaista ongelmia, jotka ylittävät nykyiset supertietokoneet merkittävästi.

Tämä tehtävä vaatii reaaliaikaista virheenkorjausta korkean tarkkuuden vaatimusten täyttämiseksi. Tarkkuus viittaa piirin tarkkuuteen. Insinöörien on luotava kvanttipiiri, joka pystyy tallentamaan ja käyttämään valtavia tietomääriä samalla kun se ylläpitää yli 100 kvanttibittiä luotettavasti hauraan kvanttitilaan.

Piiripohjaiset kvanttipiirit

Erilaisia kvanttipiirisuunnitelmia on käytetty kvanttihardwareen luomiseen. Kuitenkin piipohjaisten kvanttipiirien käyttöönotolla on merkittäviä etuja.

Ensinnäkin ne voivat hyödyntää miljardien dollarien arvoista infrastruktuuria ja valmistusstrategioita, jotka ovat jo olemassa perinteisille piireille. Lisäksi piirit voivat sisällyttää miljoonia kvanttibittejä yhteen piiriin. Nämä kvanttibittit on sijoitettu tarkasti tehokkaan kvanttilaskennan mahdollistamiseksi.

Seuraavat askeleet

Tunnistaen piisilohkokvanttiteknologian tarjoaman potentiaalin, insinöörit ovat etsineet keinoja parantaa näitä piirisuunnitelmia. Heidän tutkimuksensa on sisältänyt laajaa laboratoriotestausta. Laboratoriotulokset ovat osoittautuneet tarkkoiksi. Kuitenkin tähän mennessä ei ole tehty yritystä selvittää, voidaanko sama tarkkuustaso saavuttaa perinteisillä teollisen mittakaavan valmistusmenetelmillä.

Lähde – Nature

Jotta tämä tehtävä voitaisiin toteuttaa, insinöörien on voitettava useita materiaaliongelmia. Heidän suunnittelunsa on otettava huomioon varauskohinan ja staattisen häiriön aiheuttama häiriö. Nämä ongelmat johtuvat piipirisuunnitelmien rajapinnoilla ja oksideissa esiintyvistä vioista ja ansa-alueista.

Skaalautuvan kvanttipiirin valmistuksen laajamittainen tutkimus

Äskettäinen Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹ -tutkimus, joka julkaistiin 24. syyskuuta Nature-lehdessä, tarjoaa arvokasta tietoa keskeisistä mittareista, jotka ovat vastuussa skaalautuvien kvanttipiirien saavuttamisesta.

Se yhdistää reaaliaikaisen valvonnan mahdollisuudet kvanttivirheiden korjauskykyyn. Erityisesti se osoittaa korrelaatioita sähkökohinan ja Hall-palkin kuljetuksen välillä. Osana työtä Diraq suunnitteli uuden piirisovelluksen mallinnusohjelmiston.

He tekivät yhteistyötä piirinvalmistusyritys imec:n kanssa, joka vastasi laitteen lopullisesta valmistuksesta. Tämän jälkeen tiimi loi useita suunnitelmia käyttäen piisiruja ja perinteistä CMOS-geometriasta.

Standardityökalut

Insinöörit päättivät useita kaksibittisiä laitteita, jotka hyödynsivät tasomaista metalli‑oksidi‑semikondensaattoria (MOS) polysilikonporttien kanssa. Laitteet valmistettiin käyttäen standardeja puolijohdeteollisuuden työkaluja 300 mm foundryn ympäristössä. Erityisesti arkkitehtuuri sisälsi kaksoiskvanttipisteen ja yksielektronitransistorin (SET), joka mahdollisti reaaliaikaisen spinin lukemisen.

Huomionarvoista on, että neljä elektronia kaksoispisteessä, jotka muodostuvat laitteen plunger-portti elektrodien alla, mahdollistavat tunnelikytkennän hallinnan pisteiden välillä ja tarjoavat kohinan analyysin. Tämän jälkeen koko yksikkö sijoitettiin 3He/4He laimennusjääkaappiin, jonka peruslämpötila asetettiin 10 mK eristettyyn tilaan.

Uuden kvanttipiirin suunnittelun testaus

Testatakseen rakenteensa, tiimi altisti laitteen useille kokeellisille olosuhteille UNSW:n tutkimuslaboratoriossa. Ensimmäinen vaihe oli arvioida piirin ensisijaisen kvanttibitin toiminnallisuus. Tämä testi sisälsi sekä yhden että kahden kvanttibitin porttien testaamisen ja virheratkaisujen kirjaamisen.

Huomionarvoista on, että tiimi käytti huipputason porttisarjan tomografia (GST) -työkalua saadakseen arvokasta tietoa kvanttitilasta reaaliajassa. Tämä lähestymistapa mahdollisti häiriökertoimien, kuten ristiinkytkennän, sekä stokastisten ja koherenssivirheiden erottelun määrittämisen.

Neljä suunnitelmaa dokumentoinnin jälkeen he suorittivat kryo-tutkimusmittaukset 16:lle muulle vaihtoehdolle. Jokaisella piirillä oli hieman erilainen muoto ja arkkitehtuuri, mikä mahdollisti tiimille näkemyksen siitä, miten heidän suunnittelunsa tarjoaa tasaisen elektrostaatisen ohjauksen laitteen porttielektrodeille.

Skaalautuvan kvanttipiirin valmistuksen laajamittaisen tutkimuksen testitulokset

Testitulokset osoittivat, että konsepti oli menestys. Tiimi osoitti kvanttibittien korkean suorituskyvyn 300 mm waferilla käyttäen perinteisiä puolijohdefoundryja. Heidän datansa viittaa siihen, että piiri toimi tarkalleen ennustetusti. Sekä yksittäisen että kahden kvanttibitin ohjausympäristöissä se ylitti 99 % tarkkuuden kaikissa neljässä laitteessa.

Tämän testauksen tulokset osoittavat, että Diraq:n piisilohkokvanttipiiri voidaan menestyksekkäästi massatuottaa perinteisiä CMOS-strategioita käyttäen. Tämä löytö avaa ovet seuraavan sukupolven kvanttilaskentalaitteiden laajamittaiseen tuotantoon.

Skaalautuvan kvanttipiirin valmistuksen laajamittaisen tutkimuksen hyödyt

Pyyhkäise vierittääksesi →

Tämä tutkimus tuo alalle monia etuja. Ensinnäkin se tarjosi arvokasta tieteellistä tietoa suurimittakaavaisten kvanttilaskennan valmistusstrategioiden teknisten rajoitteiden voittamiseen. Se myös osoitti tavan integroida kvanttipiirit tulevaisuudessa massatuotantoon.

Tarkkuus

Yksi suurimmista löydöksistä on, että foundryn prosessi ei heikennyt kvanttipiirien tarkkuutta tai luotettavuutta. Se osoitti, että piipohjaiset kvanttipiirit voivat säilyttää maailmanluokan tarkkuuden, kun ne luodaan käyttäen huipputason spinkvanttistrategioita yhdistettynä reaaliaikaiseen virheenkorjaukseen.

Massatuotanto

Tutkimuksen päätavoitteena oli osoittaa, että piipohjaiset kvanttitietokoneet voivat hyödyntää kehittynyttä puolijohdeteollisuutta. Insinöörit saavuttivat tämän tavoitteen, mikä avaa ovet näiden piirin laajamittaiselle omaksumiselle.

Käytännön sovellukset ja aikajana

Tällä tutkimuksella on useita sovelluksia. Ensinnäkin se auttaa tarjoamaan toimivan polun kohti luotettavien piisilohkokvanttipiirien suurimittakaavaista tuotantoa. Nämä laitteet tulevat näyttelemään keskeistä roolia monilla korkean teknologian aloilla, kuten tekoäly, avaruustekniikka, lääketiede, ilmastomallinnus ja monessa muussa.

Skaalautuvan kvanttipiirin valmistuksen laajamittainen tutkimus aikajana

Kestävä 7–10 vuoden kuluttua voit käydä paikallisessa tietokonekaupassa ja nähdä edullisia kvanttipohjaisia laitteita. Tämä työ kuitenkin raivaa tietä kohtuuhintaisille kvanttipohjaisille tietokoneille seuraavien kymmenen vuoden aikana.

Skaalautuvan kvanttipiirin valmistuksen laajamittainen tutkimus tutkijat

Jotta Skaalautuvan kvanttipiirin valmistuksen laajamittainen tutkimus olisi menestys, Diraq, joka on UNSW Sydney:n nanotekniikka-startup, teki yhteistyötä Euroopan nanoelektroniikan instituutin Interuniversity Microelectronics Centre (imec) kanssa. Huomionarvoista on, että Diraq oli aiemmin esitellyt piisiru‑suunnitelman, jossa kvanttibittejä valmistettiin CMOS-prosesseja käyttäen laboratoriossaan.

Tämä askel inspiroi tiimiä viemään teknologiaa pidemmälle, mahdollistaen suurimittakaavan valmistusmenetelmien käyttöönoton. Tämä perustavanlaatuinen saavutus avaa ovet piipohjaisten kvanttipiirien massatuotannolle, joita voidaan käyttää kaikessa kuljetuksesta lääketieteellisiin laitteisiin.

Tulevaisuuden tutkimussuunnat

Kommentoidessaan suunnitelmiaan insinöörit aikovat tutkia tarkemmin suuria kokoonpanoja ja korkeampia elektronimäärityksiä. Heidän tavoitteensa on saada parempi ymmärrys havaittujen virhemekanismin fyysisestä alkuperästä ja luoda malleja, jotka voivat tarkasti ennustaa ja estää näitä tapahtumia. Jos onnistutaan, tämä työ tarjoaisi selkeän polun entistä parempaan suorituskykyyn alalla.

Sijoittaminen kvanttilaskentaan

Useita kvanttitietokoneiden kehittäjiä toimii maailmanlaajuisesti. Nämä yritykset jatkavat laskennan rajoitusten työntämistä eteenpäin investoimalla jatkuvasti T&K:hon valmistuskustannusten vähentämiseksi. Tässä on yksi yritys, joka säilyttää pioneerihenkensä markkinoilla ja on tunnustettu alan johtajaksi.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) tuli markkinoille vuonna 2013. Se sijaitsee Kaliforniassa ja sen perusti fyysikko nimeltä Chad Rigetti. Rigetti Computingin alkuperäinen fokus oli suprajohtavien kvanttibittien luominen ja ylläpito. Tämä lähestymistapa sisälsi täyden pinon suprajohtavien kvanttijärjestelmien ja muiden tärkeiden laitteistojen luomisen.

Huomionarvoista on, että Rigetti Computing on aina ollut markkinoiden pioneeri. Esimerkiksi se esitteli ensimmäisen kvanttiproessorin vuonna 2016. Tämä 3‑kvanttibittinen piiri avaa ovet tuleville innovaatioille, mukaan lukien Forest‑kvanttiohjelmointiympäristön julkaisu, joka auttoi algoritmien kehittämisessä.

Vuonna 2017 Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) lanseerattiin, mahdollistaen yritystason pääsyn tehokkaisiin kvanttipiireihin. Tämä toimenpide seurasi nopeasti uuden foundryn avaamista Fremontissa, Kaliforniassa samana vuonna. Nämä toimet auttoivat vahvistamaan yrityksen asemaa ja valmistuskapasiteetteja.

Vuonna 2024 Rigetti Computing esitteli 32‑kvanttibittiset prosessorinsa. Tätä toimenpidettä seurasi strateginen kumppanuus AWS:n kanssa. Kaikki nämä toimet vahvistivat Rigetti Computingin markkina-asemaa ja kuluttajien luottamusta. Tästä syystä sitä pidetään tänä päivänä erinomaisena tapana saada altistusta kvanttilaskentasektorille.

Viimeisimmät BDX (RGTI) osakeuutiset ja suorituskyky

Skaalautuvan kvanttipiirin valmistuksen laajamittainen tutkimus | Yhteenveto

On monia syitä, miksi piisilohkokvanttipiirien luominen, jotka voivat hyödyntää kehittynyttä puolijohdeteollisuutta, on voitto kaikille. Ensinnäkin se edistää kustannusten alenemista ja jatkotutkimuksia. Lisäksi se inspiroi lisää teknologista innovaatiota tulevaisuudessa.

Tutustu muihin hienoihin kvanttilaskennan läpimurtoihin Täältä.

Lähteet

^{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). Teollisuusyhteensopivat piisilohkokvanttiyksikkösolut, jotka ylittävät 99 % tarkkuuden. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}