Millisekuntikubit Merkitsevät Läpimurtoa Kvanttiteknologiassa

Laboratorioläpimurto Millisekuntiasteisen Suprajohtavan Qubitien Parissa

Kvanttitietokoneet voisivat mullistaa tapamme toteuttaa kryptografiaa, laskea monimutkaisia simulaatioita kuten proteiinien kolmiulotteinen rakenne, ja todennäköisesti niillä on monia muita sovelluksia, joita arvailemme vasta nyt.

Toimiakseen niiden tarvitsee mahdollisimman vakaita “qubiteja”, kvanttilaskennan peruselementtiä. Tähän mennessä vain “ansaitut ionit” -kvanttitietokoneet ovat onnistuneet tuottamaan erittäin vakaita qubiteja. Mutta tämä teknologia on luontaisesti vaikeampi skaalata kuin suprajohtavat qubitit.

Vaikka suprajohtavat qubitit saattavat olla tämän teknologian tulevaisuus, niiden koherenssiajan vakauden parantaminen on välttämätöntä.

Juuri tätä suuri Princetonin yliopiston tutkijaryhmä on juuri saavuttanut. He loivat suprajohtavan qubit-tyypin, joka pystyy säilyttämään koherenssin yli millisekunnin, kolme kertaa pidempään kuin koskaan aikaisemmin kirjattu paras tulos.

He julkaisevat löydöksensä Nature¹-lehdessä otsikolla “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.

Qubitien Koherenssiraja

Jotta kvanttilaskenta voidaan suorittaa, kvanttitietokoneen on ylläpidettävä “koherenssia”, erityistä kvanttitilaa, joka on äärimmäisen herkkä ympäristön häiriöille. Yleisesti ottaen lämpömelu ja hiukkasliike pyrkivät tuhoamaan koherenssin nanosekunneissa.

Erityisolosuhteissa, kuten äärimmäisen kylmissä olosuhteissa, qubitin elinikä voi olla pidempi. Silti riittävän pitkä koherenssi on edelleen merkittävä rajoite suurimmalle osalle nykyisiä kvanttitietokoneita, mikä johtaa laskentavirheisiin, jotka eivät ainoastaan vähennä kokonaislaskentatehoa, vaan joita ei myöskään voida helposti korjata ohjelmistopäivityksillä.

Siksi sen selvittäminen, mikä materiaali pystyy ylläpitämään koherenssia pidempään, on tärkeä edistysaskel, joka on otettava ennen kvanttilaskentateollisuuden kaupallista vaihetta.

“Todellinen haaste, se asia, joka estää meitä saamasta käyttökelpoisia kvanttitietokoneita tänään, on se, että rakennat qubitin ja tieto ei kestä kovin pitkään.

Tämä on seuraava suuri harppaus eteenpäin.”

Andrew Houck, Princetoni insinööritieteiden dekaani

Kuinka Tutkijat Laajensivat Transmon Qubitien Koherenssia

Tutkijat käyttivät samaa suprajohtavien qubittien tyyppiä, jota yritykset kuten Google tai IBM käyttävät omassa kvanttitietokoneessaan, transmon qubitit.

Transmon qubitit tarjoavat edun, että ne ovat erittäin tarkkoja (yksittäisen qubitin porttien tarkkuus ylittää 99,9 %), ne voidaan valmistaa mittakaavassa, ja niillä on korkea koherenssiaika, 0,1 ms.

Tämä on lupaavaa, mutta koherenssiaika on edelleen liian alhainen.

Kun Princetonin tutkijat ilmoittivat onnistuneensa luomaan keskimäärin 1,68 ms kestävän qubitin, se on valtava parannus.

Lähde: Nature

Tämä on qubitin kesto, joka on 3‑kertainen parempi kuin koskaan laboratoriossa luotu paras, ja 15‑kertainen vahvempi kuin yritykset, jotka kehittävät kvanttitietokoneita, käyttävät.

Miksi Tantalumi ja Piidi Parantavat Kvanttikoherenssia

Tantalumin Koherenssin Parantaminen

Saavuttaakseen tämän tuloksen tutkijat käyttivät kahta erilaista parannusta materiaalissa.

Ensinnäkin he käyttivät metallia nimeltä tantalumi pohjakerroksena auttamaan hauraiden piirikytkentöjen energian säilyttämisessä. Tämä johtuu siitä, että metallin pienet, piilossa olevat pintavauriot voivat ansaita ja absorboida energiaa sen liikkuessa.

Se on erityisen ongelmallista, kun sirulle lisätään enemmän qubiteja; tämä virhetyyppi monistuu niin, että se tekee sirun käyttökelvottomaksi tietyn määrän jälkeen.

Skannaavaa läpäisevää elektronimikroskopiaa (STEM) käytettiin vahvistamaan tantalumin kuutioiden erittäin säännöllinen rakenne.

Lähde: Nature

Vertailtuna alumiinin kaltaisiin metalleihin, tantalumissa on paljon vähemmän vikoja, ja se on erittäin vastustuskykyinen ankarille puhdistusprosesseille, joita käytetään epäpuhtauksien poistamiseen.

“Voit laittaa tantalumia happoon, eikä ominaisuudet silti muutu.”

Faranak Bahrami – Tutkimus Princetonin yliopistossa

Tantalumin kasvattaminen suoraan piidiin oli haaste, joka vaati laajaa ponnistelua voittaakseen.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Piidi Korvaa Safiirin

Toinen energiahäviön lähde, joka johtaa koherenssin menetykseen, on kvanttisirujen käytössä oleva safiiri-alusta.

Sen sijaan tutkijat käyttivät korkealaatuista (korkearesistiivistä) piidiä, perinteisen laskentateollisuuden yleistä standardimateriaalia.

Yhdessä nämä materiaaliparannukset tässä tantalumi-piidi -alustassa saivat syntyneet yksittäiset qubit-portit saavuttamaan 99,994 % tarkkuuden.

Laboratorioläpimurrosta Skaalautuviin Kvanttisiruihin

Tutkijat jatkoivat menetelmänsä käyttöä rakentaakseen täysin toimivan kvanttisirun, joka ylittää kaikki aikaisemmat suunnitelmat.

Koska virheprosentti on kertautuva, tämäntyyppinen parannus skaalautuu eksponentiaalisesti järjestelmän koon mukana. Tämän seurauksena 10‑15‑kertainen virheparannus yksittäisissä qubiteissa vaikuttaa paljon suuremmin moniqubit-tietokoneessa.

On tärkeää, että tällainen qubit ei ole eksoottinen uusi käsite, vaan yksinkertaisesti “perinteinen” suprajohtava qubit, jossa on eri materiaali, joten ne voidaan helposti integroida olemassa oleviin kvanttitietokoneisiin ja käyttää nykyisen kvanttilaskentaohjelmiston kanssa.

“Princetoni komponenttien vaihtaminen Googlen parhaaseen kvanttiprocessoriin, nimeltään Willow, mahdollistaisi sen toimimaan tuhat kertaa paremmin.

Princetoni qubitin hyödyt kasvavat eksponentiaalisesti järjestelmän koon kasvaessa, joten lisäämällä enemmän qubiteja saataisiin vielä suurempia etuja.

”

Andrew Houck, Princetoni insinööritieteiden dekaani

Tämä tarkoittaa, että Princetoni‑suunnittelu voisi mahdollistaa hypoteettisen 1 000‑qubitin tietokoneen toimimaan noin miljardi kertaa paremmin.

Entistä parempaa on, että tantalumin ja piidin käyttö tarkoittaa, että valmistusmenetelmä sopii jo puolijohdeteollisuuden käyttämään prosessiin, mikä tekee massatuotannosta paljon helpomman tavoitteen kuin täysin uusi teknologia.

Tämä tutkimus vaikuttaa osoittavan, että piidi‑kvanttisirut, joista keskustelimme aiemmin, ovat todennäköisesti oikea suunta kvanttilaskentateollisuudelle.

Yhdessä parempien kvanttivalonlähteiden, hybridikvanttifotonisirujen, ja mahdollisuuden siirtää kvanttitietoa yhdessä tavallisen telekommunikaatiodatan kanssa, nämä askeleet kohti paljon suurempia kvanttitietokoneita osoittavat, että teknologia on nopeasti saavuttamassa kaupallisen kypsyyden.

Sijoittaminen Kvanttitekniikan Innovaatioihin

1. Alphabet Inc.

Google on erittäin aktiivinen kvanttialalla, enimmäkseen Google Quantum AI -laboratorion ja Quantum AI -kampuksen kautta Santa Barbarassa.

Googlen kvanttitietokone teki historiaa vuonna 2019, kun se väitti saavuttaneensa “kvanttiylivallan” Sycamore‑koneellaan. Kone suoritti laskelman 200 sekunnissa, mikä olisi vakiintuneelle supertietokoneelle vienyt 10 000 vuotta.

Tämä on nyt varjossa sen uusimman sirun suorituskyvyn, nimeltään Willow. Tämä on ensimmäinen kvanttialgoritmien siru, jonka virheprosentti on niin alhainen, että mitä enemmän qubiteja lisäät, sitä vähemmän virhettä syntyy. Se tekee siitä ensimmäisen skaalautuvan kvanttisirun suunnittelun.

Mutta ehkä Googlen suurin panos on ohjelmistossa, toiminnassa jossa sillä on vaikuttava kokemus, itse asiassa parempi kuin laitteistossa (Search, G Suite, Android ym.).

Jo Googlen Quantum AI tarjoaa ohjelmistokokonaisuuden, jonka tarkoitus on auttaa tutkijoita kvantti‑algoritmien kehittämisessä.

Se myös avoimesti kannustaa “tutkijoita, insinöörejä ja kehittäjiä liittymään mukaan tähän matkaan tarkistamalla meidän avoin lähdekoodiohjelmisto ja koulutusresurssit, mukaan lukien meidän uusi kurssi Courserassa, jossa kehittäjät voivat oppia kvanttivirhekorjauksen perusteet ja auttaa meitä luomaan algoritmeja, jotka voivat ratkaista tulevaisuuden ongelmia.”

Kiitos tähän avoimeen lähestymistapaan Google on nyt johtava sekä laitteistossa että pilviratkaisuissaan. Google saattaa olla yksi yrityksistä, jotka asettavat kvanttiohjelmistojen ja kvanttiohjelmoinnin standardit, antaen sille etuoikeutetun aseman ohjata alan tulevaa kehitystä.

Sillä välin AI-ratkaisut, mukaan lukien Waymon itseajava auto, saattavat tulla Alphabetin uudeksi tulonlähteeksi, joka edelleen hallitsee massiivisesti hakukone- ja mainostusteollisuutta.

Voit lukea lisää Googlen ei‑kvanttiaiheisista toimista, erityisesti mainonnasta ja tekoälystä, omassa raportissamme joulukuulta 2024.

Viimeisimmät Alphabet (GOOGL) Osaketuotteiden Uutiset ja Kehitykset

Viitattu tutkimus:

^{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}