Chip Quantistici Vicini alla Realtà con Design di Silicio Scalabile

Diraq researchers unveiled a commercially viable high-fidelity quantum bit at scale fabrication method that could revolutionize the computing sector. This proof of principle utilizes traditional manufacturing processes that have been utilized for decades to provide reliable, large-scale, fault-tolerant quantum computer chips that retain maximum fidelity. Here’s what you need to know.

La domanda di computer quantistici accessibili è in aumento

C’è una domanda crescente di servizi di calcolo quantistico e specialisti. Secondo recenti rapporti, le aziende hanno già speso 2,35 miliardi di dollari per servizi quantistici lo scorso anno. Inoltre, il settore ha registrato un notevole aumento delle assunzioni, con le statistiche di LinkedIn che indicano un incremento del 180 % delle aziende alla ricerca di professionisti quantistici tra il 2020 e il 2024.
Ci sono molte ragioni per l’aumento della domanda di calcolo quantistico. Una di queste è l’applicazione militare. In tutto il mondo, le forze armate hanno investito finanziamenti significativi nella speranza di ottenere un vantaggio competitivo rispetto ai loro concorrenti.

Iniziativa di Benchmarking Quantistico

L’agenzia statunitense Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) sta attualmente ospitando l’Iniziativa di Benchmarking Quantistico. L’obiettivo di questo progetto è determinare se i chip di calcolo quantistico possono essere scalati e resi più durevoli rispetto al loro design attuale, che presenta uno stato quantistico fragile.

Per realizzare questo compito, sono state selezionate 18 aziende per competere tra loro al fine di raggiungere una scala di utilità nel settore del calcolo quantistico. La scala di utilità è un termine che si riferisce alla capacità del calcolo quantistico di risolvere problemi che superano di gran lunga i supercomputer odierni.

Questo compito richiederà correzione degli errori in tempo reale per soddisfare i requisiti di alta fedeltà. La fedeltà si riferisce all’accuratezza del chip. Gli ingegneri dovranno creare un chip quantistico in grado di memorizzare e accedere a enormi quantità di informazioni mantenendo più di 100 qubit in modo affidabile attraverso lo stato quantistico fragile.

Chip Quantistici a Base di Silicio

Sono stati utilizzati molti diversi tipi di design di chip quantistici per creare hardware quantistico. Tuttavia, l’introduzione di chip quantistici a base di silicio presenta vantaggi significativi.
Innanzitutto, possono sfruttare i miliardi di dollari di infrastrutture e strategie di fabbricazione già esistenti per i chip tradizionali. Inoltre, i chip possono contenere milioni di qubit su un unico chip. Questi qubit sono posizionati con precisione per fornire un calcolo quantistico efficiente.

I prossimi passi

Riconoscendo il potenziale offerto dalla tecnologia dei spin-qubit in silicio, gli ingegneri hanno cercato modi per migliorare questi design di chip. La loro ricerca ha incluso test di laboratorio sostanziali. I risultati di laboratorio si sono dimostrati accurati. Tuttavia, finora non è stato tentato di verificare se lo stesso livello di precisione possa essere raggiunto utilizzando metodi di fabbricazione tradizionali su scala industriale.

Per realizzare questo compito, gli ingegneri devono superare diverse sfide materiali. Il loro design dovrà tenere conto delle interferenze causate dal rumore di carica e dal disordine statico. Questi problemi si verificano a causa di difetti e trappole alle interfacce e agli ossidi presenti nei design dei chip in silicio.

Studio di Fabbricazione di Chip Quantistici su Larga Scala

Il recente studio Unità di celle di spin-qubit al silicio compatibili con l’industria che superano il 99% di fedelt๠pubblicato il 24 settembre su Nature, fornisce preziose informazioni su metriche cruciali responsabili del raggiungimento di chip quantistici scalabili.

Collega le capacità di monitoraggio in tempo reale alla possibilità di correggere gli errori quantistici. In particolare, evidenziando le correlazioni tra rumore elettrico e trasporto Hall bar. Nell’ambito del lavoro, Diraq ha progettato un nuovo software di modellazione del design dei chip.

Hanno collaborato con l’azienda di fabbricazione di chip imec, responsabile della produzione finale del dispositivo. Da lì, il team ha creato diversi design utilizzando wafer di silicio e geometria CMOS tradizionale.

Strumentazione Standard

Gli ingegneri hanno optato per diversi dispositivi a due qubit che utilizzavano un semiconduttore planar metal‑oxide‑semiconductor con gate in polisilicio. I dispositivi sono stati realizzati utilizzando strumentazione semiconduttore standard in un ambiente di fonderia da 300 mm. In particolare, l’architettura utilizzata comprendeva un doppio quantum dot e un transistor a singolo elettrone (SET), che forniva lettura dello spin in tempo reale.
In particolare, i quattro elettroni nel doppio dot formati sotto gli elettrodi del gate plunger del dispositivo rendono possibile controllare il accoppiamento tunnel tra i dot e fornire l’analisi del rumore. Da lì, l’intera unità è stata collocata in un refrigeratore a diluizione 3He/4He impostato a una temperatura di base di 10 mK in modalità isolata.

Test del Nuovo Design di Chip Quantistico

Per testare la loro costruzione, il team ha sottoposto il dispositivo a diverse condizioni sperimentali create nel laboratorio di ricerca UNSW. Il primo passo è stato valutare la funzionalità del qubit principale del chip. Questo test ha incluso la verifica di porte a uno e due qubit e la registrazione dei tassi di errore.

In particolare, il team ha utilizzato uno strumento di tomografia del set di porte (GST) all’avanguardia per ottenere preziose informazioni sullo stato quantistico in tempo reale. Questo approccio ha permesso di determinare fattori di interferenza come il crosstalk e la distinzione tra errori stocastici e coerenti.

Dopo aver documentato quattro design, hanno condotto misurazioni di crio-probing su altre 16 opzioni. Ogni chip presentava una forma e un’architettura leggermente diverse, consentendo al team di comprendere come il loro design fornisca un controllo elettrostatico uniforme sugli elettrodi del gate del dispositivo.

Risultati dei Test dello Studio di Fabbricazione di Chip Quantistici su Larga Scala

I risultati dei test hanno dimostrato che il concetto è stato un successo. Il team ha dimostrato alte prestazioni dei qubit sul wafer da 300 mm utilizzando fonderie semiconduttori tradizionali. I loro dati suggeriscono che il chip ha funzionato esattamente come previsto. Sia nelle strutture di controllo a singolo che a due qubit, ha superato il 99 % di precisione su tutti e quattro i dispositivi.
I risultati di questi test indicano che il chip quantistico in silicio di Diraq può essere prodotto in massa con successo utilizzando strategie CMOS tradizionali. Questa scoperta apre la porta a produzioni su larga scala di dispositivi di calcolo quantistico di nuova generazione.

Benefici dello Studio di Fabbricazione di Chip Quantistici su Larga Scala

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Ci sono molti benefici che questo studio porta all’industria. Innanzitutto, ha fornito conoscenze scientifiche preziose per superare le limitazioni tecniche delle strategie di fabbricazione del calcolo quantistico su larga scala. Ha inoltre dimostrato un modo per integrare i chip quantistici nella produzione di massa in futuro.

Precisione

Una delle più grandi scoperte è che il processo di fonderia non ha ridotto l’accuratezza o la fedeltà dei chip quantistici. Ha effettivamente dimostrato che i chip quantistici a base di silicio possono mantenere una precisione di livello mondiale quando vengono creati utilizzando strategie di spin-qubit all’avanguardia abbinate a correzione degli errori in tempo reale.

Fabbricazione di Massa

L’obiettivo principale dello studio era dimostrare che i computer quantistici a base di silicio possono sfruttare l’industria dei semiconduttori matura. Gli ingegneri hanno raggiunto questo obiettivo, aprendo la porta a una diffusione su larga scala di questi chip.

Applicazioni Reali & Tempistica

Ci sono diverse applicazioni per questo studio. Innanzitutto, aiuterà a fornire un percorso praticabile per la produzione su larga scala di chip quantistici in silicio affidabili. Questi dispositivi giocheranno un ruolo fondamentale in molte industrie ad alta tecnologia, tra cui IA, aerospaziale, medico, modellazione climatica e molto altro.

Tempistica dello Studio di Fabbricazione di Chip Quantistici su Larga Scala

Ci vorranno 7-10 anni prima di poter entrare nel negozio di computer locale e vedere dispositivi alimentati da quantum a un prezzo accessibile. Tuttavia, questo lavoro apre la strada a computer quantistici a prezzi ragionevoli nel prossimo decennio.

Ricercatori dello Studio di Fabbricazione di Chip Quantistici su Larga Scala

Per rendere lo Studio di Fabbricazione di Chip Quantistici su Larga Scala un successo, Diraq, una startup nano-tecnologica di UNSW Sydney, ha collaborato con l’istituto europeo di nanoelettronica Interuniversity Microelectronics Centre (imec). È importante notare che Diraq aveva precedentemente presentato un design di chip in silicio che fabbricava qubit utilizzando i processi CMOS nel loro laboratorio.
Questo passo ha ispirato il team a spingere ulteriormente la tecnologia, consentendo l’impiego di metodi di fabbricazione su larga scala. Questo risultato fondamentale apre la porta alla produzione di massa di chip quantistici a base di silicio da utilizzare in tutto, dal trasporto ai dispositivi medici.

Direzioni Future della Ricerca

Commentando i loro piani, gli ingegneri intendono approfondire ulteriori indagini su configurazioni di grandi dimensioni e occupazioni elettroniche più elevate. Il loro obiettivo è comprendere meglio l’origine fisica dei meccanismi di errore osservati e creare modelli in grado di prevedere e prevenire accuratamente tali eventi. Se avrà successo, questo lavoro fornirebbe una chiara via verso prestazioni ancora più elevate nel settore.

Investire nel Calcolo Quantistico

Diversi sviluppatori di computer quantistici operano a livello globale. Queste aziende continuano a spingere i confini del calcolo investendo costantemente in R&D per ridurre i costi di fabbricazione. Ecco un’azienda che rimane uno spirito pionieristico nel mercato ed è riconosciuta come leader del settore.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) è entrata sul mercato nel 2013. Ha sede in California ed è stata fondata da un fisico di nome Chad Rigetti. L’obiettivo originale di Rigetti Computing era creare e mantenere qubit superconduttori. Questo approccio includeva la creazione di sistemi quantistici superconduttori a stack completo e altre hardware vitali.
È importante notare che Rigetti Computing è sempre stata uno spirito pionieristico nel mercato. Ad esempio, ha introdotto il primo processore quantistico nel 2016. Questo chip a 3 qubit apre la porta a future innovazioni, inclusa il rilascio dell’ambiente di programmazione quantistica Forest, che ha contribuito allo sviluppo di algoritmi.

Nel 2017, Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) è stata lanciata, consentendo l’accesso a livello aziendale a potenti chip quantistici. Questa mossa è stata rapidamente seguita dall’apertura di una nuova fonderia a Fremont, CA, nello stesso anno. Queste iniziative hanno contribuito a rafforzare il posizionamento e le capacità di produzione dell’azienda.
Nel 2024, Rigetti Computing ha dimostrato i suoi processori a 32 qubit. Questa mossa è stata seguita da una partnership strategica con AWS. Tutte queste iniziative hanno rafforzato il posizionamento di mercato e la fiducia dei consumatori di Rigetti Computing. Pertanto, oggi è considerata un’ottima modalità per ottenere esposizione al settore del calcolo quantistico.

Ultime Notizie e Performance delle Azioni BDX (RGTI)

Studio di Fabbricazione di Chip Quantistici su Larga Scala | Conclusione

Ci sono così tante ragioni per cui creare chip quantistici in silicio che possano sfruttare l’industria dei semiconduttori matura è una vittoria per tutti. Innanzitutto, favorirà la riduzione dei costi e ulteriori ricerche. Inoltre, ispirerà più innovazione tecnologica in futuro.

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Riferimenti

^{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). Unità di celle di spin-qubit al silicio compatibili con l’industria che superano il 99% di fedeltà. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}