Kvanttisirut lähellä todellisuutta skaalautuvalla piisuunnittelulla

Diraqin tutkijat paljastivat kaupallisesti kannattavan, korkean tarkkuuden kvanttibittien valmistusmenetelmän, joka voisi mullistaa tietojenkäsittelyalan. Tämä periaatetodistus hyödyntää perinteisiä valmistusprosesseja, joita on käytetty vuosikymmeniä luotettavien, laajamittaisten ja vikasietoisten kvanttitietokonesirujen tuottamiseen, jotka säilyttävät maksimaalisen tarkkuuden. Tässä on mitä sinun tulee tietää.

Edullisten kvanttitietokoneiden kysyntä kasvaa

Kvanttilaskennan palveluille ja asiantuntijoille on kasvava kysyntä. Viimeaikaisten tutkimusten mukaan raportitYritykset ovat jo käyttäneet 2.35 miljardia dollaria kvanttipalveluihin viime vuonna. Lisäksi alalla on koettu merkittävää palkkaamisen kasvua, ja LinkedInin tilastojen mukaan kvanttialan ammattilaisia ​​etsivien yritysten määrä on kasvanut 180 prosenttia vuosien 2020 ja 2024 välillä.

Kvanttilaskennan kysynnän kasvuun on monia syitä. Yksi tällainen syy on sotilaalliset sovellukset. Armeijat ympäri maailmaa ovat investoineet merkittäviä varoja toivoen saavansa kilpailuedun kilpailijoihinsa nähden.

Quantum Benchmarking Initiative

Yhdysvaltain puolustusministeriön edistyneiden tutkimusprojektien virasto (DARPA) isännöi parhaillaan kvanttivertailualoitetta (Quantum Benchmarking Initiative). Hankkeen tavoitteena on selvittää, voidaanko kvanttitietokoneiden siruja skaalata ja tehdä niistä kestävämpiä kuin niiden nykyinen, hauras kvanttitila.

Tämän tehtävän saavuttamiseksi on valittu 18 yritystä kilpailemaan keskenään kvanttilaskennan skaalautuvuudesta. Hyödyllisyysmittakaava on termi, joka viittaa kvanttilaskennan kykyyn ratkaista ongelmia, jotka ylittävät huomattavasti nykyisten supertietokoneiden kyvyn.

Tämä tehtävä vaatii reaaliaikaista virheenkorjausta korkean tarkkuuden vaatimusten täyttämiseksi. Tarkkuus viittaa sirun tarkkuuteen. Insinöörien on luotava kvanttisiru, joka pystyy tallentamaan ja käyttämään valtavia määriä tietoa samalla, kun se ylläpitää luotettavasti yli 100 kubittia hauraassa kvanttitilassa.

Piipohjaiset kvanttisirut

Kvanttilaitteiston luomiseen on käytetty monenlaisia ​​kvanttipiirirakenteita. Piipohjaisten kvanttipiirien käyttöönotolla on kuitenkin merkittäviä etuja.

Ensinnäkin ne voivat hyödyntää perinteisille siruille jo olemassa olevaa miljardien dollarien infrastruktuuria ja valmistusstrategioita. Lisäksi sirut voivat sovittaa miljoonia kubitteja yhdelle sirulle. Nämä kubitit on sijoitettu tarkasti tehokkaan kvanttilaskennan mahdollistamiseksi.

Seuraavat vaiheet

Piipohjaisen spin-kubittiteknologian tarjoaman potentiaalin tunnistaneet insinöörit ovat etsineet tapoja parantaa näitä sirurakenteita. Heidän tutkimukseensa on sisältynyt laajoja laboratoriotestejä. Laboratoriotulokset ovat osoittautuneet tarkkoiksi. Tähän mennessä ei kuitenkaan ole yritetty selvittää, voidaanko sama tarkkuustaso saavuttaa perinteisillä teollisen mittakaavan valmistusmenetelmillä.

Lähde - luonto

Tämän tehtävän suorittamiseksi insinöörien on voitettava useita materiaalihaasteita. Suunnittelussa on otettava huomioon varauskohinan ja staattisen epäjärjestyksen aiheuttamat häiriöt. Nämä ongelmat johtuvat piisirujen rajapintojen virheistä ja loukuista sekä oksideista.

Laajamittainen kvanttisirun valmistustutkimus

Viime Teollisuusyhteensopivat piispin-kubittiyksikkösolut, jotka ylittävät 99 %:n tarkkuuden¹ Nature-lehdessä 24. syyskuuta julkaistu tutkimus tarjoaa arvokasta tietoa skaalautuvien kvanttisirujen saavuttamiseen vaikuttavista keskeisistä mittareista.

Se yhdistää reaaliaikaisen valvontakyvyn ja kvanttivirheiden korjauskyvyn. Tarkemmin sanottuna se osoittaa sähköisen kohinan ja Hall-sauvasignaalin kuljetuksen väliset korrelaatiot. Osana työtä Diraq suunnitteli uuden sirusuunnittelun mallinnusohjelmiston.

He tekivät yhteistyötä sirujen valmistusyritys IMECin kanssa, joka vastasi laitteen lopullisesta valmistuksesta. Sen jälkeen tiimi loi useita malleja käyttäen piikiekkoja ja perinteistä CMOS-geometriaa.

Vakiotyökalut

Insinöörit päätyivät useisiin kahden kubitin laitteisiin, jotka käyttivät tasomaista metallioksidipuolijohdetta ja polysilikoniportteja. Laitteet valmistettiin käyttämällä standardeja puolijohdetyökaluja 300 mm:n valimoympäristössä. Käytetty arkkitehtuuri sisälsi tarkalleen ottaen kaksoiskvanttipisteen ja yksielektronitransistorin (SET), jotka tarjosivat reaaliaikaisen spin-lukeman.

Merkillepantavaa on, että laitteen mäntäporttielektrodien alle muodostuneen kaksoispisteen neljä elektronia mahdollistavat pisteiden välisen tunnelikytkennän ohjaamisen ja kohinan analysoinnin. Koko yksikkö sijoitettiin sitten 3He/4He-laimennusjääkaappiin, jonka peruslämpötila oli asetettu 10 mK:iin eristetyssä tilassa.

Uuden kvanttisirun suunnittelun testaaminen

Testatakseen rakennettaan tiimi altisti laitteen useille UNSW:n tutkimuslaboratoriossa luoduille kokeellisille olosuhteille. Ensimmäinen vaihe oli sirun ensisijaisen kubitin toiminnallisuuden arviointi. Testiin sisältyi sekä yhden että kahden kubitin porttien testaus ja virhesuhteiden rekisteröinti.

Merkillepantavaa on, että tiimi käytti huippuluokan porttijoukkotomografiaa (GST) saadakseen arvokasta tietoa kvanttitilasta reaaliajassa. Tämän lähestymistavan avulla he pystyivät määrittämään interferenssitekijöitä, kuten ylikuulumista ja jakautumista stokastisiin ja koherentteihin virheisiin.

Dokumentoituaan neljä mallia he suorittivat kryoluotausmittauksia 16 muulle vaihtoehdolle. Jokaisella sirulla oli hieman erilainen muoto ja arkkitehtuuri, minkä ansiosta tiimi sai käsityksen siitä, miten heidän suunnittelunsa tarjoaa tasaisen sähköstaattisen ohjauksen laitteen porttielektrodeille.

Laajamittainen kvanttisirujen valmistustutkimuksen testitulokset

Testitulokset osoittivat konseptin olevan menestys. Tiimi osoitti kubitien korkean suorituskyvyn 300 mm:n kiekolla perinteisissä puolijohdevalimoissa. Heidän datansa viittaa siihen, että siru toimi täsmälleen ennustetulla tavalla. Sekä yhden että kahden kubitin ohjauslaitoksissa sen tarkkuus ylitti 99 %:n.

Tämän testauksen tulokset osoittavat, että Diraqin piipohjaista kvanttipiiriä voidaan valmistaa onnistuneesti massatuotantona perinteisillä CMOS-strategioilla. Tämä löytö avaa oven seuraavan sukupolven kvanttitietokoneiden laajamittaiselle tuotannolle.

Laajamittaisen kvanttisirujen valmistustutkimuksen hyödyt

Pyyhkäise vierittääksesi →

Tästä tutkimuksesta on monia hyötyjä teollisuudelle. Ensinnäkin se tarjosi arvokasta tieteellistä tietoa laajamittaisten kvanttilaskennan valmistusstrategioiden teknisten rajoitusten voittamisesta. Se myös osoitti tavan integroida kvanttisirut massatuotantoon tulevaisuudessa.

tarkkuus

Yksi suurimmista löydöistä on, että valimoprosessi ei heikentänyt kvanttisirujen tarkkuutta tai luotettavuutta. Se itse asiassa osoitti, että piipohjaiset kvanttisirut voivat säilyttää maailmanluokan tarkkuuden, kun ne on luotu käyttämällä huippuluokan spin-kubittistrategioita yhdistettynä reaaliaikaiseen virheenkorjaukseen.

Massavalmistus

Tutkimuksen päätavoitteena oli osoittaa, että piipohjaiset kvanttitietokoneet voivat hyödyntää kypsää puolijohdeteollisuutta. Insinöörit onnistuivat tässä tavoitteessa, mikä avaa oven näiden sirujen laajamittaiselle käyttöönotolle.

Reaalimaailman sovellukset ja aikajana

Tällä tutkimuksella on useita sovelluksia. Ensinnäkin se auttaa tarjoamaan toimivan polun luotettavien piipohjaisten kvanttisirujen laajamittaiselle tuotannolle. Näillä laitteilla on keskeinen rooli monilla korkean teknologian aloilla, kuten tekoälyssä, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, lääketieteessä, ilmastomallinnuksessa ja paljon muussa.

Laajamittainen kvanttisirujen valmistustutkimuksen aikajana

Kestää 7–10 vuotta ennen kuin voit mennä paikalliseen tietokoneliikkeeseen ja nähdä kvanttipohjaisia ​​laitteita edulliseen hintaan. Tämä työ kuitenkin tasoittaa tietä kohtuuhintaisille kvanttipohjaisille tietokoneille seuraavan vuosikymmenen aikana.

Laajamittainen kvanttisirujen valmistustutkimus Tutkijat

Jotta laajamittainen kvanttisirujen valmistustutkimus olisi onnistunut, Diraq, joka on UNSW Sydneyssä toimiva nanoteknologia-alan startup-yritys, teki yhteistyötä Euroopan nanoelektroniikkainstituutin Interuniversity Microelectronics Centren (imec) kanssa. Merkillepantavaa on, että Diraq oli aiemmin julkistanut piisirusuunnittelun, joka valmisti kubitteja käyttämällä heidän laboratoriossaan olevia CMOS-prosesseja.

Tämä askel inspiroi tiimiä viemään teknologiaa eteenpäin, mahdollistaen laajamittaisten valmistusmenetelmien käytön. Tämä perustavanlaatuinen saavutus avaa oven piipohjaisten kvanttisirujen massatuotannolle, jota voidaan käyttää kaikessa kuljetuksesta lääketieteellisiin laitteisiin.

Tulevat tutkimussuunnat

Suunnitelmiaan kommentoidessaan insinöörit aikovat tehdä lisätutkimuksia suurista konfiguraatioista ja korkeammista elektronien käyttöasteista. Heidän tavoitteenaan on ymmärtää paremmin havaittujen virhemekanismien fysikaalista alkuperää ja luoda malleja, jotka pystyvät ennustamaan ja estämään näitä tapahtumia tarkasti. Onnistuessaan tämä työ tarjoaisi selkeän polun entistä parempaan suorituskykyyn alalla.

Kvanttilaskentaan investoiminen

Useat kvanttitietokoneiden kehittäjät toimivat maailmanlaajuisesti. Nämä yritykset jatkavat laskennan rajojen venyttämistä investoimalla jatkuvasti tutkimukseen ja kehitykseen valmistuskustannusten alentamiseksi. Tässä on yksi yritys, joka on edelleen edelläkävijä markkinoilla ja tunnustettu alan johtajaksi.

Rigetti Computing

Rigetti Computing tuli markkinoille vuonna 2013. Sen pääkonttori sijaitsee Kaliforniassa, ja sen perusti fyysikko Chad Rigetti. Rigetti Computingin alkuperäinen painopiste oli suprajohtavien kubitien luomisessa ja ylläpidossa. Tämä lähestymistapa sisälsi täysimittaisten suprajohtavien kvanttijärjestelmien ja muun tärkeän laitteiston luomisen.

Merkillepantavaa on, että Rigetti Computing on aina ollut markkinoiden edelläkävijä. Se esimerkiksi esitteli ensimmäisen kvanttiprosessorin vuonna 2016. Tämä 3-kubittinen siru avaa oven tulevaisuuden innovaatioille, mukaan lukien Forest-kvanttiohjelmointiympäristön julkaisu, joka auttoi vauhdittamaan algoritmien kehitystä.

Vuonna 2017 lanseerattiin Rigetti Quantum Cloud Services (QCS), joka mahdollisti yritystason pääsyn tehokkaisiin kvanttisiruihin. Tätä operaatiota seurasi pian uuden valimon avaaminen Fremontiin, Kaliforniaan, samana vuonna. Nämä toimenpiteet auttoivat vahvistamaan yrityksen asemointia ja valmistuskapasiteettia.

Vuonna 2024 Rigetti Computing esitteli 32-kubittiset prosessorinsa. Tätä seurasi strateginen kumppanuus AWS:n kanssa. Kaikki nämä toimet vahvistivat Rigetti Computingin markkina-asemaa ja kuluttajien luottamusta. Sellaisenaan sitä pidetään nykyään erinomaisena tapana saada näkyvyyttä kvanttilaskennan sektorilla.

Viimeisimmät BDX (RGTI) -osakeuutiset ja -kehitys

Laajamittainen kvanttisirujen valmistustutkimus | Johtopäätös

On monia syitä, miksi piipohjaisten kvanttisirujen luominen kypsän puolijohdeteollisuuden hyödyntämiseksi on kaikkien etu. Ensinnäkin se edistää kustannusten alenemista ja lisätutkimusta. Lisäksi se inspiroi lisää teknologista innovaatiota tulevaisuudessa.

Opi muista hienoista kvanttilaskennan läpimurroista Tässä.

Viitteet

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, WH, Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, JD, Vahapoglu, E., Bartee, SK, Hudson, FE, Chan, S., J., Kubic Can. Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). Teollisuuden kanssa yhteensopivat pii-spin-qubit-yksikkökennot, joiden tarkkuus ylittää 99 %. Luonto, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}