Kvanttitietokoneet tekevät merkittäviä edistysaskeleita kehittyneen suprajohtavan teknologian avulla

Nouseva teknologia, kvanttitietokoneet hyödyntävät kvanttimekaniikan lakeja ratkaistakseen monimutkaisia ongelmia, jotka ylittävät perinteisten tietokoneiden kapasiteetin. 

Nämä kvanttitietokoneet tallentavat tiedon kubitteihin (tai kvanttibitteihin). Toisin kuin perinteiset bitit, nämä kubitit voivat olla binäärisen tilan 0 ja 1 ulkopuolella, ja siten ne voivat suorittaa laskentaoperaatioita paljon nopeammin. 

Lisäksi, nämä kubitit tulevat eri muodoissa, mukaan lukien loukkuun sidotut ionikubit, jotka käyttävät varautuneita ioneja tai atomeja; fotoniset kubitit, jotka käyttävät valohiukkasia; ja suprajohtavat kubitit, jotka ovat virtapiiri, jossa sähkövirta kiertää niiden ympärillä.

‘Solid-state’-kvanttilaskennan osana suprajohtavat kubitit esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1999. Siitä lähtien ne ovat kehittyneet yhdeksi tärkeimmistä kubititeknologioista, tarjoten etuja kuten vähentynyt energian häviö, alhainen resistanssi, pienentynyt decoherence, skaalautuvat kvanttipiirit, nopea kubitin toiminta, vakaat kubitin tilat, korkean tarkkuuden kubitin ohjaus ja virheenkorjaus.

Viimeisen vuosikymmenen aikana suprajohtava kvanttilaskenta on noussut suosituksi vaihtoehdoksi toimivien kvanttitietokoneiden rakentamisessa, ja jatkuva tutkimus tuo meitä lähemmäs niiden toteutumista.

Uusimmat läpimurrot suprajohtavien materiaalien alalla

Juuri tällä viikolla tutkijaryhmä julkaisi tutkimuksen Science Advances -lehdessä, jossa käsiteltiin uutta suprajohtavaa materiaalia kvanttitietokoneita varten.

Uusi suprajohtava materiaali on ehdokas “topologiseksi suprajohtajaksi”, joka käyttää reiän tai elektronin delokalisoitua tilaa kvanttitiedon kuljettamiseen ja datan prosessointiin.

Kalifornian yliopiston fyysikko Peng Wei johti tutkijaryhmää, joka yhdisti kolmiomaisen telluurin, ei-magneettisen materiaalin, jota ei voida peilata sen peilikuvassa, kultapohjaisen ohutkalvopinnan suprajohtajan kanssa.

Tämä yhdistelmä luoti 2D-rajapintasuprasuojan parannetulla spin-polarisaatiolla, mikä mahdollistaa eksitaatioiden mahdollisen käytön vakaan spin-kubitin luomiseen. Tämä mullistava suprajohtava materiaali voi mullistaa kvanttilaskentakomponenttien skaalautuvuuden ja luotettavuuden. 

“Luomalla erittäin puhtaan rajapinnan kierteisen materiaalin ja kullan välillä kehitimme kaksidimensionaalisen rajapintasuprasuojan. Rajapintasuprasuojan on ainutlaatuista, että se toimii ympäristössä, jossa spinin energia on kuusi kertaa suurempi kuin perinteisissä suprajohtajissa.”

– Wei, fysiikan ja astronomian apulaisprofessori

Magnetikentän alla materiaalia havaittiin myös siirtyvän tilaan, mikä viittaa sen käyttöön triplet-suprajohtajana, mikä voisi johtaa kestävämpiin kvanttilaskentakomponentteihin. Se on periaatteessa kestävämpi korkeassa magnetikentässä kuin matalassa magnetikentässä. 

Lisäksi käyttämällä ei-magneettisia materiaaleja puhtaampien rajapintojen saavuttamiseksi tämä uusi teknologia tukahduttaa luonnollisesti decoherence-lähteet, jotka ovat haaste kvanttilaskennassa.

Tutkijat myös osoittivat suprajohtajan kyvyn valmistaa huippuluokan vähähäviöisiä mikronaaltoresonansseja, jotka ovat kriittisiä kvanttilaskennan komponentteja. Näin voidaan saavuttaa vähähäviöisiä suprajohtavia kubitteja. 

Koska decoherence- tai kvanttitiedon menetyksen vähentäminen kubittijärjestelmässä on suurin haaste kvanttilaskennassa, tämä tutkimus voi auttaa kehittämään skaalautuvampia ja luotettavampia kvanttilaskentakomponentteja. Wei:n mukaan:

“Saavumme tähän käyttämällä materiaaleja, jotka ovat kymmenen kertaa ohuempia kuin tyypillisesti kvanttilaskentateollisuudessa käytetyt.”

Nämä mikronaaltoresonanssit saavuttavat laatuarvon, joka ylittää miljoonan.

Viikkoa ennen tätä UCLA:n johtama tiimi julkaisi myös tutkimuksen, jossa esiteltiin uusi materiaali, joka näyttää lupaavalta kvanttilaskentaa varten. 

Materiaali säilytti suprajohtavat ominaisuutensa paljon tavallista korkeammissa magnetikentissä ja osoitti suprajohtavan diodiefektin. Tämä efekti, joka sallii suuremman virran kulkea yhteen suuntaan, esiintyy tyypillisesti kierteisissä suprajohtajissa ja on harvinaista perinteisissä suprajohtajissa.

Kierteisen käyttäytymisen aikaansaamiseksi perinteisessä suprajohtajassa tutkijat loivat kierteisen molekyylikerroksen ja kerrospohjan, jossa oli 2D-materiaalia, titaani-disulfidia (TaS2).

Tämä tutkimus esitteli potentiaalin tehostaa kvanttilaskennan tehokkuutta ja vakautta sekä tehdä perinteisistä elektroniikoista nopeampia ja energiatehokkaampia.

Innovaatioita kubitin ohjauksessa ja skaalautuvuudessa

Kvanttitietokoneiden kyky “muuttaa radikaalisti maailmaa” on käynnistänyt maailmanlaajuisen kilpailun käytännöllisen kvanttitietokoneen rakentamiseksi.

Kuitenkin yksi suurimmista haasteista, joka estää kvanttitietokoneiden kasvua, on skaalautuvuus, eli kyky rakentaa riittävän suuria koneita todellisten ongelmien ratkaisemiseksi. Jotta kvanttitietokone voisi käsitellä hyödyllisiä ongelmia, tarvitsemme joko enemmän kubitteja tai luotettavan tavan vähentää laskentavirheitä.

Japanilaiset tutkijat tarttuivat ongelmaan lisäämällä hallittavien kubittien määrää ja vähentämällä tarvittavien kubittien määrää.

Muutama kuukausi sitten tutkijat onnistuivat demonstroimaan suprajohtavan piirin, joka pystyy ohjaamaan monia kubitteja matalissa lämpötiloissa.

Tässä kokeessa suprajohtava piiri näytettiin ohjaavan useita kubitteja yhden kaapelin kautta käyttäen mikronaalto-multipleksointia. Piirillä on potentiaalia parantaa mikronaalto-signaalien tiheyttä per kaapeli noin 1 000‑kertaisesti. Tämä saavutus voi merkittävästi lisätä hallittavien kubittien määrää ja edistää suurten kvanttitietokoneiden kehitystä.

Laitteiston vähentämiseksi, joka tarvitaan kubittien ja huoneenlämpöisen elektroniikan väliin, kehitettiin innovatiivinen “kryoelektroniikka”. Kryoelektroniikka on elektroniikkaa kubittien ohjaukseen ja lukemiseen, joka toimii kriogeenisissa lämpötiloissa lähellä kubitteja. 

Kryoelektroniikka on myös osoitettu toimivan korkeilla kellotaajuuksilla neljä astetta yli absoluuttisen nollapisteen. Nyt keskitytään energian kulutuksen vähentämiseen, jotta lähellä kubitteja syntyvän lämmön määrä minimoituu. 

Toinen japanilaisten tutkijoiden painopiste on prosessivirheiden korjaaminen. Tässä yhteydessä Princetonin yliopiston tutkijat kehittivät valmistustekniikan virheettömään kvanttilaskentaan.

Tässä tutkimuksessa tiedemiehet loivat suprajohtavan kerroksen topologisen eristeen, tungsten-ditelluridin (WTe2), päälle. Tekniikassa käytettiin “siementä” kerrostetusta metallista (palladium), joka muodostaa uuden kiteisen rakenteen, Pd7WTe2, jolla oli nollaresistanssi.

Atomien levitysmenetelmä toimii menestyksekkäästi monien aineiden, kuten molybdeeni-ditelluridin (MoTe2), kanssa.

Vaikka lisätestejä tarvitaan sen varmistamiseksi, onko kyseessä topologinen suprajohtaja, tutkijat uskovat, että heidän yleinen menetelmänsä voi luoda uusia suprajohtajia.

Decoherence-ongelman ratkaiseminen ja suorituskyvyn parantaminen

Toinen kvanttilaskennan läpimurto tapahtui alkuvuodesta, kun tutkijat esittelivät uuden lähestymistavan suprajohtaviin piireihin. Tämä lähestymistapa voi merkittävästi pidentää kvanttitietokoneen käyttöaikaa.

Kuten olemme todenneet, tällaisen tietokoneen jatkuva toiminta keskeytyy, koska kubitin kvanttitila voi helposti epävakautua. Tätä kutsutaan decoherenceksi ja se aiheuttaa virheitä laskennassa. Tämä tapahtuu vuorovaikutusten vuoksi muiden kubittien ja niiden ympäristön kanssa.

Koska suprajohtavat kubitit mahdollistavat tilojen vaihtamisen lyhyimmässä ajassa, ne ovat kasvavan tutkimuksen kohteena. Vaikka ne voivat parantaa vaihtoaikaa, ne ovat myös alttiimpia decoherencelle millisekuntien aikavälillä.

Siksi kansainvälinen tutkijaryhmä ehdotti Josephsonin liitosrakennetta, jota kutsutaan “flowermoniksi”. Tämä malli käyttää kahta yhden atomikerroksen kupraattilohkoa, kuparipohjaista suprajohtavaa materiaalia.

“Flowermon modernisoi vanhan ajatuksen käyttää epätavanomaisia suprajohtajia suojattuihin kvanttipiireihin ja yhdistää sen uusiin valmistustekniikoihin sekä uuteen ymmärrykseen suprajohtavan piirin koherenssista.”

– Uri Vool, fyysikko Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids -laitoksessa Saksassa

Tiimin laskelmien mukaan heidän mallinsa voi vähentää kohinaa ja siten lisätä kubittien koherenssiaikoja kymmenien kymmenien kertaisesti. Kuitenkin se oli puhtaasti teoreettinen, ja tiimi aikoo käyttää tuloksiaan optimoidakseen suprajohtavia kubitteja.

Kvanttitietokoneiden suorituskyvyn parantamiseksi viime vuonna Minnesota Twin Cities -yliopiston tutkijaryhmä kehitti säädettävän suprajohtavan diodin, joka ei ainoastaan skaalaa kvanttitietokoneita, vaan myös parantaa tekoälyjärjestelmiä. 

Diodi on laite, joka sallii virran kulkea yhteen suuntaan. Vaikka diodit valmistetaan yleensä puolijohteista, tutkijat ovat tutkineet diodien valmistamista suprajohtavilla materiaaleilla, jotka mahdollistavat energian siirron ilman häviöitä.

Vanhempi tutkimuskirjoituksen tekijä Vlad Pribiag, joka on apulaisprofessori Minnesota-yliopiston fysiikan ja astronomian laitoksessa, totesi:

“Haluamme tehdä tietokoneista voimakkaampia, mutta nykyisillä materiaaleilla ja valmistusmenetelmillä kohtaamme pian kovia rajoituksia.”

Suurin haaste laskentatehon lisäämisessä on energian dissipaatio, joten tiimi valitsi suprajohtavat teknologiat.

Suprajohtava diodilaite rakennettiin käyttäen kolmea Josephsonin liitosta. Vaikka se valmistettiin asettamalla ei-suprajohtavia materiaaleja suprajohtavien väliin, tutkijat yhdistivät suprajohtajat puolijohdekerttojen kanssa.

Tämä ainutlaatuinen rakenne mahdollisti laitteiston käyttäytymisen ohjaamisen jännitteen avulla. Se pystyy myös käsittelemään useita sähköisiä signaaleja samanaikaisesti, toisin kuin tavalliset diodit, jotka voivat käsitellä vain yhden sisään- ja ulostulon kerrallaan. Nämä ominaisuudet voivat mahdollistaa suprajohtavan diodin käytön aivoihin inspiroivassa neuromorfisessa laskennassa.

Neuromorfisessa laskennassa sähköpiirit on suunniteltu jäljittelemään ihmisaivojen neuronien toimintaa suorituskyvyn parantamiseksi.

Mohit Guptan, paperin ensimmäisen kirjoittajan, mukaan tämä uusi suprajohtava diodi on energiatehokkaampi kuin muut suprajohtavat diodit. Tarkemmin sanottuna se on ensimmäinen, jossa on sarja portteja energian virtauksen ohjaamiseen. Tätä ominaisuutta ei ole aiemmin sisällytetty suprajohtavaan diodiin, mutta tutkimus on “näyttänyt, että portteja voidaan lisätä ja sähköisiä kenttiä soveltaa tämän efektin säätämiseksi.” 

Lisäksi tutkimuksessa käytetty materiaali oli teollisuusystävällisempi ja pystyi tarjoamaan uusia toiminnallisuuksia.

Tässä tutkimuksessa käytettyä tekniikkaa voidaan edelleen soveltaa mihin tahansa suprajohtajaan, mikä tekee siitä erittäin joustavan ja yhteensopivan teollisuuden sovellusten kanssa. Nämä ominaisuudet voivat auttaa skaalaamaan kvanttitietokoneiden kehitystä laajempaan käyttöön.

“Tällä hetkellä kaikki kvanttilaskentakoneet ovat hyvin perusluonteisia suhteessa todellisten sovellusten tarpeisiin. Skaalaus on välttämätöntä, jotta saadaan tietokone, joka on tarpeeksi voimakas käsittelemään hyödyllisiä, monimutkaisia ongelmia.”

– Pribiag

Tämä on erityisen merkittävää tänään, kun tekoälyn käyttö kasvaa merkittävästi. Tämä on johtanut siihen, että ihmiset tutkivat algoritmeja tietokoneille tai tekoälylaitteille, jotka voivat ylittää perinteisten tietokoneiden suorituskyvyn. Pribiag totesi, että tämä tutkimus kehittää laitteistoa, joka mahdollistaa kvanttitietokoneiden näiden algoritmien toteuttamisen. 

Tutkimus rahoitettiin pääosin Yhdysvaltain energiaministeriön toimesta, osittain Kansallisen tiede- ja teknologian (National Science Foundation) ja Microsoft Researchin tukemana.

Kubittien pienentäminen 2D-materiaaleilla vaikuttamatta suorituskykyyn

Jatkuva tutkimus ja kehitys on johtanut siihen, että tutkijat ovat rakentaneet suprajohtavia kubitteja, jotka ovat paljon pienempiä kuin tavalliset kubitit. Nämä suprajohtavat kubitit on rakennettu käyttäen 2D-materiaaleja.

Jotta kvanttitietokoneiden kubitit pystyvät ylittämään klassisten tietokoneiden nopeuden ja kapasiteetin, niiden on oltava samassa aallonpituudessa. Tämän saavuttamiseksi tutkijoiden on yleensä uhrattava kubittien koko, jotka ovat edelleen mitattavissa millimetreinä, toisin kuin klassisten transistorien, jotka ovat kutistuneet nanometreiksi.

Kubittien koon pienentämiseksi, jotta niillä ei olisi suuri fyysinen jalanjälki, mutta suorituskyky säilyisi, James Hone, Columbia Universityn mekaanisen tekniikan professori, esitteli todella pienen suprajohtavan kubittikondensaattorin.

Aikaisemmin insinöörit käyttivät tasomaisia kondensaattoreita kubittisirujen rakentamiseen. Tässä varatut levyt asetettiin vierekkäin, ja vaikka ne voitaisiin pinota tilan säästämiseksi, se häiritsisi kubitin tiedon tallennusta.

Siksi Hone’n tohtoriopiskelijat Anjaly Rajendra ja Abhinandan Antony asettivat eristävän booriniittikerroksen kahden varatun suprajohtavan niobium-diseleniidi-levyn väliin. Vain yhden atomin paksuiset kerrokset pidetään yhdessä van der Waals -voimilla, heikolla elektrostaatillisella vuorovaikutuksella. 

Kondensaattorit yhdistettiin alumiinipiireihin sirun luomiseksi. Tämä siru sisälsi kaksi kubittia ja oli vain 35 nanometriä paksu, 1 000‑kertaisesti pienempi kuin perinteisillä menetelmillä tuotetut.

Kun siru jäähdytettiin, kubitit saavuttivat saman aallonpituuden. Niiden havaittiin myös lomittautuvan ja toimivan yhtenä yksikkönä. Tämä kvanttikoherenssi, vaikka lyhytkestoinen (hieman yli yksi mikrosekunti), tarkoittaa, että kubitin kvanttitilaa voidaan manipuloida ja lukea sähköisten pulssien avulla. Hone:n mukaan:

“Me tiedämme nyt, että 2D-materiaalit voivat pitää avainta kvanttitietokoneiden mahdollistamiseen. On vielä hyvin varhaista, mutta tällaiset löydökset innostavat tutkijoita maailmanlaajuisesti pohtimaan 2D-materiaalien uusia sovelluksia. Toivomme näkevämme paljon enemmän työtä tällä alalla tulevaisuudessa.”

Niiden ainutlaatuisen rakenteen ansiosta kaksiulotteiset (2D) kvanttimateriaalit ovat merkittävä läpimurto materiaalitieteessä. Toisin kuin 3D-materiaalit, 2D-kvanttimateriaalit ovat vain yksi tai muutama atomi paksuja, ja elektronit voivat liikkua kaikissa kolmessa suunnassa.

Suosittuja 2D-materiaaleja ovat Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs) ja Hexagonal Boron Nitride (h‑BN).

Vaikka nämä materiaalit tarjoavat monipuolisia ominaisuuksia ja potentiaalia mullistaviin teknologisiin sovelluksiin, ne kohtaavat haasteita synteesissä, integroinnissa ja skaalautuvuudessa, jotka on ylitettävä ennen kuin niiden täysi potentiaali voidaan toteuttaa.

Keskeiset yritykset, jotka johtavat kvanttiteknologian vallankumousta

Tarkastellaan nyt joitakin merkittäviä yrityksiä, jotka ovat mukana suprajohtajien ja kvanttiteknologian kehittämisessä:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet on vahvasti investoinut kvanttiteknologian tutkimukseen tytäryhtiönsä Google Quantum AI:n kautta. Yksikkö on luonut suprajohtavan kvanttiproessorin nimeltä Sycamore, joka vuonna 2019 pystyi suorittamaan laskelman 200 sekunnissa, mikä olisi muuten viedyt 10 000 vuotta jopa tehokkaimmalta supertietokoneelta. Siitä lähtien Sycamore‑kvanttiprocessori on kasvanut merkittävästi ja nykyään siinä on 70 kubittia, mikä tekee siitä 241 miljoonaa kertaa vahvemman kuin edellinen malli.

Teknologiajättiläisellä on markkina-arvo 2,06 triljoonaa dollaria, ja sen osakkeet (GOOGL:NASDAQ) kaupataan hintaan 165,68 $, nousua 18,56 % vuoden alusta. Vuodelle 2024 Q2 Alphabet raportoi 28,6 % nettotuloksen kasvun 23,6 mdollariin, kun kokonaisliikevaihto kasvoi 14 % 84,74 mdollariin. Google‑emoyhtiö ilmoitti myös 0,20 $:n käteisosinkoon per osake.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA on tutkinut kvanttiteknologiaa ja suprajohtajia yhteistyökumppanuuksien ja yhteistyöprojektien kautta. Tänä vuonna maaliskuussa yritys ilmoitti nopeuttavansa kvanttiteknologian kehitystä kansallisilla supertietokantapaikoilla Saksassa, Japanissa ja Puolassa avoimen lähdekoodin NVIDIA CUDA‑Q™ -alustan avulla.

Markkinoiden AI‑suosikki, NVIDIA‑osakkeet ovat menestyneet tänä vuonna, kuten 161,24 % nousu vuonna 2024 osoittaa. Tämä nousu on nostanut NVDA‑osakkeet hintaan 129,45 $, mikä asettaa yrityksen markkina-arvoksi 3,188 triljoonaa dollaria. Piirisarjan valmistaja raportoi ennätyksellisen Q1‑tuloksen vuodelle 2024, jonka liikevaihto oli 22,1 mdollaria.

Yhteenveto

Tutkijat, organisaatiot ja yritykset ympäri maailmaa työskentelevät kvanttiteknologian edistämiseksi, joka loistaa monimutkaisissa ongelmanratkaisuissa. Erityisesti suprajohtava teknologia auttaa ajamaan merkittävää edistystä ja tuo meitä lähemmäs tämän mullistavan teknologian täyden potentiaalin toteuttamista. 

Klikkaa tästä oppiaksesi kvanttitietokoneiden nykytilasta.