Quantumchips naderen de realiteit met schaalbaar siliciumontwerp

Onderzoekers van Diraq hebben een commercieel haalbare, high-fidelity quantum bit-fabricagemethode op grote schaal onthuld die de computersector zou kunnen revolutioneren. Dit proof-of-principle maakt gebruik van traditionele productieprocessen die al tientallen jaren worden gebruikt om betrouwbare, grootschalige, fouttolerante quantumcomputerchips te produceren met maximale betrouwbaarheid. Dit is wat u moet weten.

De vraag naar betaalbare quantumcomputers neemt toe

Er is een groeiende vraag naar quantum computing-diensten en -specialisten. Volgens recente meldtBedrijven hebben vorig jaar al $ 2.35 miljard uitgegeven aan quantumdiensten. Bovendien heeft de sector een aanzienlijke toename in het aantal aanwervingen gezien. Statistieken van LinkedIn laten een stijging van 180% zien in het aantal bedrijven dat tussen 2020 en 2024 op zoek is naar quantumprofessionals.

Er zijn vele redenen voor de toenemende vraag naar quantumcomputers. Een daarvan zijn militaire toepassingen. Wereldwijd hebben legers aanzienlijke bedragen geïnvesteerd in de hoop een concurrentievoordeel te behalen ten opzichte van hun concurrenten.

Quantum Benchmarking-initiatief

De Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) organiseert momenteel het Quantum Benchmarking Initiative. Het doel van dit project is om te bepalen of quantumcomputerchips schaalbaar en duurzamer kunnen worden gemaakt dan hun huidige ontwerp, dat een kwetsbare kwantumtoestand heeft.

Om deze taak te volbrengen, zijn 18 bedrijven geselecteerd om met elkaar te concurreren om schaalvergroting binnen de quantumcomputingsector te bereiken. Schaalvergroting is een term die verwijst naar het vermogen van quantumcomputing om problemen op te lossen die de huidige supercomputers ver te boven gaan.

Deze taak vereist realtime foutcorrectie om te voldoen aan de hoge betrouwbaarheidseisen. Betrouwbaarheid verwijst naar de nauwkeurigheid van de chip. Ingenieurs zullen een quantumchip moeten ontwikkelen die enorme hoeveelheden informatie kan opslaan en gebruiken en tegelijkertijd meer dan 100 qubits betrouwbaar kan ondersteunen in de kwetsbare quantumtoestand.

Op silicium gebaseerde quantumchips

Er zijn veel verschillende soorten quantumchipontwerpen gebruikt om quantumhardware te creëren. De introductie van op silicium gebaseerde quantumchips heeft echter aanzienlijke voordelen.

Ten eerste kunnen ze gebruikmaken van de miljarden dollars aan infrastructuur en fabricagestrategieën die al beschikbaar zijn voor traditionele chips. Bovendien kunnen de chips miljoenen qubits op één chip kwijt. Deze qubits zijn nauwkeurig gepositioneerd voor efficiënte quantumcomputing.

De volgende stappen

Ingenieurs erkennen het potentieel van silicium-spin-qubittechnologie en zijn op zoek gegaan naar manieren om deze chipontwerpen te verbeteren. Hun onderzoek omvatte uitgebreide laboratoriumtests. De laboratoriumresultaten bleken accuraat. Tot op heden is er echter nog geen poging gedaan om te onderzoeken of hetzelfde nauwkeurigheidsniveau kan worden bereikt met traditionele fabricagemethoden op industriële schaal.

Bron - NATUUR

Om deze taak te volbrengen, moeten ingenieurs verschillende materiële uitdagingen overwinnen. Hun ontwerp moet rekening houden met interferentie veroorzaakt door ladingsruis en statische wanorde. Deze problemen ontstaan ​​door defecten en valkuilen op grensvlakken en oxiden in siliciumchipontwerpen.

Grootschalige studie naar de fabricage van quantumchips

De recente Industrie-compatibele silicium spin-qubit-eenheidscellen met een betrouwbaarheid van meer dan 99%¹ Een onderzoek dat op 24 september in Nature werd gepubliceerd, biedt waardevolle inzichten in cruciale statistieken die nodig zijn om schaalbare quantumchips te realiseren.

Het legt de verbinding tussen realtime monitoringmogelijkheden en de mogelijkheid om kwantumfouten te corrigeren. Het gaat dan met name om het aantonen van correlaties tussen elektrische ruis en Hall-bartransport. Als onderdeel van het werk ontwierp Diraq nieuwe software voor het modelleren van chipontwerp.

Ze werkten samen met chipfabrikant imec, dat verantwoordelijk was voor de uiteindelijke productie van het apparaat. Van daaruit creëerde het team verschillende ontwerpen met behulp van siliciumwafers en traditionele CMOS-geometrie.

Standaard gereedschap

De ingenieurs kozen voor verschillende twee-qubit-apparaten die gebruik maakten van een vlakke metaaloxide-halfgeleider met polysiliciumpoorten. De apparaten werden gemaakt met behulp van standaard halfgeleidergereedschap in een 300-mm-gieterijomgeving. De gebruikte architectuur omvatte specifiek een dubbele kwantumdot en een single-electron transistor (SET), die realtime spin-uitlezing mogelijk maakte.

Opvallend is dat de vier elektronen in de dubbele stip, gevormd onder de plunjerpoortelektroden van het apparaat, het mogelijk maken om de tunnelkoppeling tussen de stippen te regelen en ruisanalyse uit te voeren. Vervolgens werd de gehele unit in een 3He/4He-verdunningskoelkast geplaatst die in geïsoleerde modus was ingesteld op een basistemperatuur van 10 mK.

Het testen van het nieuwe quantumchipontwerp

Om hun bouw te testen, onderwierp het team het apparaat aan verschillende experimentele omstandigheden die in het onderzoekslaboratorium van de UNSW waren gecreëerd. De eerste stap was het evalueren van de primaire qubitfunctionaliteit van de chip. Deze test omvatte het testen van zowel één- als twee-qubitpoorten en het registreren van foutpercentages.

Het team maakte met name gebruik van een geavanceerde gatesettomografie (GST)-tool om waardevolle inzichten in de kwantumtoestand in realtime te verkrijgen. Deze aanpak stelde hen in staat om interferentiefactoren zoals overspraak en de verdeling tussen stochastische en coherente fouten te bepalen.

Na het documenteren van vier ontwerpen voerden ze cryo-probing metingen uit op nog eens 16 opties. Elke chip had een iets andere vorm en architectuur, waardoor het team inzicht kreeg in hoe hun ontwerp zorgt voor een uniforme elektrostatische controle over de gate-elektroden van het apparaat.

Resultaten van de test van een grootschalige quantumchipfabricagestudie

De testresultaten toonden aan dat het concept succesvol was. Het team demonstreerde hoge prestaties van qubits op de 300-mm wafer met behulp van traditionele halfgeleidergieterijen. Hun gegevens suggereren dat de chip precies presteerde zoals voorspeld. In zowel single- als two-qubit-besturingsfaciliteiten overschreed de nauwkeurigheid de 99% voor alle vier de apparaten.

De resultaten van deze tests geven aan dat Diraqs siliciumkwantumchip succesvol in massaproductie kan worden genomen met behulp van traditionele CMOS-strategieën. Deze ontdekking opent de deur naar grootschalige productie van quantumcomputers van de volgende generatie.

Voordelen van een grootschalige studie naar de fabricage van quantumchips

Veeg om te scrollen →

Deze studie biedt de industrie vele voordelen. Ten eerste leverde het waardevolle wetenschappelijke kennis op om de technische beperkingen van grootschalige quantumcomputerproductiestrategieën te overwinnen. Het toonde ook een manier aan om quantumchips in de toekomst te integreren in massaproductie.

Nauwkeurigheid

Een van de grootste ontdekkingen is dat het gietproces de nauwkeurigheid of betrouwbaarheid van de quantumchips niet heeft verminderd. Het toonde zelfs aan dat quantumchips op siliciumbasis een nauwkeurigheid van wereldklasse kunnen behouden wanneer ze worden gemaakt met behulp van geavanceerde spin-qubitstrategieën in combinatie met realtime foutcorrectie.

Massafabricage

Het hoofddoel van de studie was om aan te tonen dat op silicium gebaseerde quantumcomputers gebruik kunnen maken van de volwassen halfgeleiderindustrie. De ingenieurs zijn hierin geslaagd, wat de weg vrijmaakt voor grootschalige toepassing van deze chips.

Toepassingen in de echte wereld en tijdlijn

Deze studie kent verschillende toepassingen. Ten eerste zal het een haalbaar pad voorwaarts creëren voor de grootschalige productie van betrouwbare siliciumkwantumchips. Deze apparaten zullen een cruciale rol spelen in veel hightechindustrieën, waaronder AI, lucht- en ruimtevaart, de medische sector, klimaatmodellering en nog veel meer.

Tijdlijn voor grootschalige quantumchipfabricagestudie

Het zal nog 7 tot 10 jaar duren voordat u bij uw lokale computerwinkel quantumcomputers tegen een betaalbare prijs kunt bekijken. Dit werk maakt echter de weg vrij voor betaalbare quantumcomputers in het komende decennium.

Onderzoekers naar grootschalige quantumchipfabricage

Om de Large Scale Quantum Chip Fabrication Study tot een succes te maken, werkte Diraq, een nanotech-startup van de Universiteit van Sydney, samen met het Europese nano-elektronica-instituut Interuniversity Microelectronics Centre (imec). Diraq had eerder al een ontwerp voor een siliciumchip onthuld waarmee qubits konden worden gefabriceerd met behulp van CMOS-processen in hun lab.

Deze stap inspireerde het team om de technologie verder te ontwikkelen en grootschalige fabricagemethoden mogelijk te maken. Deze fundamentele prestatie opent de deur voor massaproductie van op silicium gebaseerde quantumchips voor gebruik in alles van transport tot medische apparatuur.

Toekomstige onderzoeksrichtingen

De ingenieurs geven aan dat ze verder onderzoek willen doen naar grote configuraties en hogere elektronenbezettingen. Hun doel is om de fysieke oorsprong van de waargenomen foutmechanismen beter te begrijpen en modellen te ontwikkelen die deze gebeurtenissen nauwkeurig kunnen voorspellen en voorkomen. Indien succesvol, zou dit werk een duidelijk pad openen naar nog betere prestaties in de sector.

Investeren in quantum computing

Verschillende ontwikkelaars van quantumcomputers zijn wereldwijd actief. Deze bedrijven blijven de grenzen van de computertechnologie verleggen door constant te investeren in R&D om de productiekosten te verlagen. Dit is één bedrijf dat een pioniersgeest in de markt blijft en erkend wordt als marktleider.

Rigetti Computing

Rigetti Computing betrad de markt in 2013. Het bedrijf is gevestigd in Californië en werd opgericht door natuurkundige Chad Rigetti. Rigetti Computing richtte zich oorspronkelijk op het creëren en onderhouden van supergeleidende qubits. Deze aanpak omvatte ook de ontwikkeling van full-stack supergeleidende quantumsystemen en andere essentiële hardware.

Rigetti Computing is altijd een pionier geweest in de markt. Zo introduceerde het bedrijf in 2016 de eerste quantumprocessor. Deze 3-qubit chip opent de deur voor toekomstige innovaties, waaronder de introductie van de Forest quantumprogrammeeromgeving, die de ontwikkeling van algoritmen heeft gestimuleerd.

In 2017 werd Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) gelanceerd, waarmee bedrijven toegang kregen tot krachtige quantumchips. Deze stap werd datzelfde jaar al snel gevolgd door de opening van een nieuwe gieterij in Fremont, Californië. Deze stappen versterkten de positionering en productiecapaciteit van het bedrijf.

In 2024 demonstreerde Rigetti Computing zijn 32-qubit processors. Deze stap werd gevolgd door een strategische samenwerking met AWS. Al deze stappen versterkten de marktpositionering en het consumentenvertrouwen van Rigetti Computing. Tegenwoordig wordt het dan ook gezien als een uitstekende manier om exposure te verwerven in de quantum computing-sector.

Laatste BDX (RGTI) aandelennieuws en prestaties

Grootschalige studie naar de fabricage van quantumchips | Conclusie

Er zijn zoveel redenen waarom het ontwikkelen van silicium-kwantumchips die de volwassen halfgeleiderindustrie kunnen benutten, een win-winsituatie is voor iedereen. Ten eerste zal het kostenbesparingen en verder onderzoek stimuleren. Bovendien zal het in de toekomst meer technologische innovatie inspireren.

Leer meer over andere coole doorbraken in quantum computing Hier.

Referenties

^{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, KW, Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). Industrie-compatibele silicium spin-qubit-eenheidscellen met een betrouwbaarheid van meer dan 99%. Natuur, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}