Millisekunnin kubitit merkitsevät läpimurtoa kvanttitekniikassa

Läpimurto millisekunnin mittakaavan suprajohtavissa kubiteissa

Kvanttitietokoneet voisivat mullistaa kryptografian suorittamisen, monimutkaisten simulaatioiden, kuten proteiinien 3D-konfiguraation, laskemisen ja luultavasti monia muita sovelluksia, joita tuskin arvailemme tänään.

Toimiakseen ne tarvitsevat mahdollisimman stabiileja ”kubitteja”, kvanttilaskennan peruselementtiä. Tähän mennessä vain ”loukkuun jääneiden ionien” kvanttitietokoneet ovat onnistuneet tuottamaan erittäin stabiileja kubitteja. Mutta tätä teknologiaa on luonnostaan ​​vaikeampi skaalata kuin suprajohtavia kubitteja.

Vaikka suprajohtavat kubitit saattavat olla tämän teknologian tulevaisuus, niiden kubitien koherenssiajan vakautta on parannettava.

Juuri tämän on saavuttanut suuri tutkijaryhmä Princetonin yliopistossa. He ovat luoneet suprajohtavia kubitteja, jotka pystyvät säilyttämään koherenssin yli millisekunnin ajan, kolme kertaa pidempään kuin paras koskaan mitattu aika.

He julkaisivat löydöksensä Nature-lehdessä¹, otsikon alla "Millisekunnin eliniät ja koherenssiajat 2D-transmonikubiteissa".

Kubitin koherenssiraja

Kvanttilaskennan suorittamiseksi kvanttitietokoneen on ylläpidettävä "koherenssia", erityistä kvanttitilaa, joka on erittäin altis ympäristön häiriöille. Yleisesti ottaen lämpökohina ja hiukkasten liike tuhoavat koherenssin nanosekunneissa.

Erikoisolosuhteissa, kuten erittäin kylmissä olosuhteissa, kubitin elinikä voi olla pidempi. Mutta silti riittävän pitkä koherenssi on merkittävä rajoitus useimmille kvanttitietokoneille nykyään. Se johtaa laskentavirheisiin, jotka eivät ainoastaan ​​vähennä kokonaislaskentakapasiteettia, vaan joita ei myöskään voida helposti kompensoida ohjelmistopäivityksillä.

Joten sen määrittäminen, mikä materiaali pystyy säilyttämään koherenssin pidempään, on tärkeä askel eteenpäin, joka on otettava ennen kuin kvanttilaskentateollisuus saavuttaa kaupallisen vaiheen.

”Oikea haaste, se mikä estää meitä saamasta käyttökelpoisia kvanttitietokoneita tänä päivänä, on se, että kun rakennat kubitin, tieto ei yksinkertaisesti säily kovin kauan.”

Tämä on seuraava iso harppaus eteenpäin.”

Andrew Houck, Princetonin tekniikan dekaani

Kuinka tutkijat laajensivat transmon-kubittien koherenssia

Tutkijat käyttivät samanlaisia ​​suprajohtavia kubitteja, joita yritykset, kuten Google tai IBM, käyttävät omassa kvanttitietokoneessaan. transmon-kubitit.

Transmon-kubittien etuna on, että ne ovat erittäin tarkkoja (yksittäisen kubitin portin tarkkuus ylittää 99.9 %), niitä on mahdollista tuottaa skaalautuvasti ja niiden koherenssiajat ovat korkeita, 0.1 millisekuntia.

Tämä on lupaavaa, mutta koherenssiaika on vielä liian lyhyt.

Kun Princetonin tutkijat ilmoittivat onnistuneensa luomaan keskimäärin 1.68 ms kestävän kubitin, kyseessä on valtava parannus.

Lähde: luonto

Tämä on kubitin kesto kolme kertaa pidempi kuin paras koskaan laboratoriossa luotu ja 15 kertaa vahvempi kuin kvanttitietokoneita kehittävien yksityisten yritysten käyttämä.

Miksi tantaali ja pii parantavat kvanttikoherenssia

Tantaali lisää koherenssia

Tämän tuloksen saavuttamiseksi tutkijat käyttivät kahta erilaista parannusta käytetyssä materiaalissa.

Ensin he käyttivät tantaalia pohjakerroksena auttaakseen hauraita piirejä säilyttämään energiaa. Tämä johtuu siitä, että metallin pienet, piilossa olevat pintavirheet voivat vangita ja absorboida energiaa sen liikkuessa.

Tämä on erityisen ongelmallista, kun sirulle lisätään kubitteja, ja tämäntyyppinen virhe moninkertaistuu siihen pisteeseen, että se muuttuu käyttökelvottomaksi tietyn määrän jälkeen.

Pyyhkäisyelektronimikroskopiaa (STEM) käytettiin vahvistamaan tantaalin kuutiollisten kiteiden erittäin säännöllinen rakenne.

Lähde: luonto

Verrattuna metalleihin, kuten alumiiniin, tantaalista löytyy paljon vähemmän vikoja, ja se kestää erittäin hyvin epäpuhtauksien poistamiseen käytettäviä ankaria puhdistusprosesseja.

"Voit laittaa tantaalia happoon, eikä sen ominaisuudet silti muutu."

Faranak Bahrami – Princetonin yliopiston tutkimus

Tantaalin kasvattaminen suoraan piin pinnalle oli haaste, jonka voittaminen vaati paljon työtä.
Pyyhkäise vierittääksesi →

Pii korvaa safiirin

Toinen energianhukan lähde, joka johtaa koherenssin menetykseen, on kvanttisiruissa käytetty safiirisubstraatti.

Sen sijaan tutkijat käyttivät korkealaatuista (korkean resistiivisyyden omaavaa) piitä, joka on perinteisen tietokoneteollisuuden yleinen standardimateriaali.

Yhdessä nämä tantaali-pii-alustassa käytettyjen materiaalien parannukset mahdollistivat, että tuloksena olevat yhden kubitin portit saavuttavat 99.994 %:n tarkkuuden.

Laboratorioläpimurrosta skaalautuviin kvanttisiruihin

Tutkijat jatkoivat menetelmänsä käyttämistä täysin toimivan kvanttisirun rakentamiseen, joka ylittää kaikki aiemmat mallit.

Koska virhesuhde on multiplikatiivinen, tämäntyyppinen parannus skaalautuu eksponentiaalisesti järjestelmän koon kanssa. Tämän seurauksena yksittäisten kubitien virhesuhteen 10–15-kertainen parannus vaikuttaa paljon enemmän usean kubitin tietokoneessa.

Tärkeää on, että tällainen kubitti ei ole eksoottinen uusi konsepti, vaan yksinkertaisesti "perinteinen" suprajohtava kubitti, joka käyttää eri materiaalia, joten ne voidaan helposti integroida olemassa oleviin kvanttitietokoneisiin ja käyttää olemassa olevissa kvanttilaskentaohjelmistoissa.

”Princetonin komponenttien vaihtaminen Googlen parhaaseen kvanttiprosessoriin, nimeltään Willow, mahdollistaisi sen toiminnan 1 000 kertaa paremmin.”

Princetonin kubitin hyödyt kasvavat eksponentiaalisesti järjestelmän koon kasvaessa, joten useampien kubitien lisääminen toisi vielä suuremman hyödyn.

Andrew Houck, Princetonin tekniikan dekaani

Tämä tarkoittaa, että Princetonin suunnitelma voisi mahdollistaa hypoteettisen 1 1,000 kubitin tietokoneen toiminnan noin miljardi kertaa paremmin.

Vielä parempaa on, että tantaalin ja piin käyttö tarkoittaa, että valmistusmenetelmä sopii puolijohdeteollisuudessa jo käytössä oleviin menetelmiin, mikä tekee massatuotannosta paljon helpomman virstanpylvään saavuttaa kuin täysin uuden teknologian.

Tämä tutkimus näyttää viittaavan siihen, että piiskvanttisirut, josta keskustelimme aiemmin, ovat todennäköisesti oikea suunta kvanttilaskentateollisuudelle.

Yhdessä paremmat kvanttivalonlähteet, hybridikvanttifotoniset sirutja mahdollisuus kuljettaa kvantti-informaatiota yhdessä normaalin televiestintädatan kanssaNämä askeleet kohti paljon suurempia kvanttitietokoneita osoittavat, että teknologia on nopeasti saavuttamassa kaupallisen kypsyyden.

Investoiminen kvanttilaskennan innovaatioihin

1. Alphabet Inc.

Google on erittäin aktiivinen kvanttilaskennassa, pääasiassa sen kautta Googlen kvanttitekoälylaboratorio ja kvanttitekoälykampus Santa Barbarassa.

Googlen kvanttitietokone teki historiaa vuonna 2019, kun se väitti saavuttaneensa "kvanttiylivoiman" Sycamore-koneellaan. Kone suoritti 200 sekunnissa laskutoimituksen, johon perinteisellä supertietokoneella olisi mennyt 10 000 vuotta.

Tämä on nyt kääpiö sen uusimman sirun, nimeltään Willow, suorituskykyTämä on ensimmäinen kvanttilaskentasiru, jonka virheprosentti on niin alhainen, että mitä enemmän kubitteja lisäät, sitä vähemmän virheitä saat. Se tekee siitä ensimmäisen skaalautuvan kvanttisirurakenteen.

Mutta ehkä Googlen suurin panos tulee olemaan ohjelmistoalalla, jossa sillä on vaikuttava historia, itse asiassa parempi kuin laitteistossa (haku, G Suite, Android jne.).

Googlen Quantum AI tarjoaa jo nyt ohjelmistopaketin, joka on suunniteltu auttamaan tutkijoita kvanttialgoritmien kehittämisessä.

Se myös puolustaa avoimesti "tutkijat, insinöörit ja kehittäjät voivat liittyä meihin tällä matkalla tutustumalla meidän Avoimen lähdekoodin ohjelmistot ja koulutusresurssit, mukaan lukien meidän uusi kurssi Courserassa, jossa kehittäjät voivat oppia kvanttivirheenkorjauksen perusasiat ja auttaa meitä luomaan algoritmeja, jotka voivat ratkaista tulevaisuuden ongelmia."

Tämän avoimen lähestymistavan ansiosta Google on nyt johtava sekä laitteistossa että pilviratkaisuissa. Google saattaa olla yksi niistä yrityksistä, jotka asettavat standardit kvanttilaskentaohjelmistoille ja kvanttiohjelmoinnille, mikä antaa sille etuoikeutetun aseman ohjata alan tulevaa kehitystä.

Samaan aikaan tekoälyratkaisut, mukaan lukien Waymon itseohjautuva auto, saattavat nousta Alphabetin uudeksi tulonlähteeksi, sillä sillä on edelleen valtavan hallitseva asema haku- ja mainosaloilla.

Voit lukea lisää Googlen muista kuin kvanttiteknologiaan liittyvistä toiminnoista, erityisesti mainoksista ja tekoälystä, omassa raportissamme joulukuulta 2024.

Viimeisimmät Alphabet (GOOGL) -osakeuutiset ja -kehitys

Viitattu tutkimus:

^{1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC ym. Millisekuntien elinajat ja koherenssiajat 2D-transmonikubiteissa. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}