Quantumcomputing maakt enorme sprong vooruit met geavanceerde supergeleidingstechnologie

Een opkomende technologie, quantumcomputing maakt gebruik van de wetten van kwantummechanismen om complexe problemen op te lossen die de capaciteit van traditionele computers te boven gaan. 

Deze quantumcomputers slaan informatie op in qubits (of quantumbits). In tegenstelling tot klassieke bits kunnen deze qubits bestaan buiten een binaire toestand van 0 en 1 en kunnen ze daardoor veel sneller berekeningen uitvoeren. 

Bovendien, deze qubits komen in verschillende vormen, inclusief trapped-ion qubits, die geladen ionen of atomen gebruiken; fotonische qubits, die lichtdeeltjes gebruiken; en supergeleiding qubits, die een circuitlus vormen met een elektrische stroom die eromheen stroomt.

Als onderdeel van ‘solid-state’ quantumcomputatie werden supergeleiding qubits voor het eerst gedemonstreerd in 1999. Sindsdien zijn ze uitgegroeid tot een van de belangrijkste vormen van qubit‑technologie, met voordelen zoals verminderde energiedissipatie, lage weerstand, verminderde decoherentie, schaalbare quantumcircuits, hoge‑snelheids‑qubit‑operaties, stabiele qubit‑toestanden, high‑fidelity qubit‑controle en foutcorrectie.

In het afgelopen decennium is supergeleiding quantumcomputing een populaire optie geworden voor het bouwen van functionele quantumcomputers, en lopend onderzoek brengt ons dichter bij het realiseren ervan. 

Recente doorbraken in supergeleidermaterialen

Deze week publiceerde een team van onderzoekers een studie in Science Advances over de ontwikkeling van een nieuw supergeleidermateriaal voor quantumcomputing.

Het nieuwe supergeleidermateriaal is een kandidaat voor een “topologische supergeleider”, een type dat een gat of een gedelokaliseerde toestand van een elektron gebruikt om quantuminformatie te dragen en data te verwerken.

Fysicus Peng Wei van de Universiteit van Californië leidde een team van onderzoekers die trigonaal tellurium, een niet‑magnetisch materiaal dat niet overlappend kan zijn op zijn spiegelbeeld, combineerden met een oppervlakte‑toestand supergeleider die wordt gegenereerd op het oppervlak van een dunne goudfilm.

Deze combinatie creëerde een 2D‑interface supergeleider met verbeterde spinpolarisatie, waardoor de excitaties mogelijk kunnen worden gebruikt om een stabiele spin‑qubit. Dit baanbrekende supergeleidermateriaal heeft het potentieel om de schaalbaarheid en betrouwbaarheid van quantumcomputing‑componenten te revolutioneren. 

“Door een zeer schone interface te creëren tussen het chirale materiaal en goud, ontwikkelden we een tweedimensionale interface‑supergeleider. De interface‑supergeleider is uniek omdat hij zich bevindt in een omgeving waar de energie van de spin zes keer meer wordt versterkt dan in conventionele supergeleiders.”

– Wei, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie

Onder een magnetisch veld werd het materiaal verder waargenomen een overgang te ondergaan, wat suggereert dat het kan worden gebruikt als een triplet‑supergeleider, wat kan leiden tot robuustere quantumcomputing‑componenten. Het werd in feite robuuster bij een hoog magnetisch veld dan bij een laag magnetisch veld. 

Bovendien, door niet‑magnetische materialen te gebruiken voor schonere interfaces, onderdrukt deze nieuwe technologie van nature de bronnen van decoherentie, een uitdaging in quantumcomputing.

De onderzoekers toonden ook het vermogen van de supergeleider om te worden omgevormd tot hoogwaardige, laag‑verlies microgolf‑resonatoren, kritieke componenten van quantumcomputing. Hierdoor kunnen laag‑verlies supergeleiding qubits ontstaan. 

Aangezien het verminderen van decoherentie of verlies van quantuminformatie in een qubitsysteem de grootste uitdaging is in quantumcomputing, kan dit onderzoek helpen bij het ontwikkelen van schaalbaardere en betrouwbaardere quantumcomputing‑componenten. Volgens Wei:

“We hebben dit bereikt met materialen die een orde van grootte dunner zijn dan die doorgaans in de quantumcomputing‑industrie worden gebruikt.”

These microwave resonators have a quality factor reaching 1 million.

Een week daarvoor publiceerde een door UCLA geleid team ook een studie die nieuw materiaal presenteerde dat veelbelovend is voor quantumcomputing. 

Het materiaal behield zijn supergeleidingseigenschappen onder veel hogere magnetische velden dan gebruikelijk en vertoonde het supergeleiding‑diode‑effect. Dit effect, dat meer stroom in één richting laat vloeien, wordt doorgaans gezien in chirale supergeleiders en is zelden waargenomen in traditionele supergeleiders.

Om het chirale gedrag in een conventionele supergeleider op te wekken, creëerden de onderzoekers een chirale moleculaire laag en een gelaagde structuur met 2D‑materiaal tantaaldisulfide (TaS2).

Deze studie toonde het potentieel om de efficiëntie en stabiliteit van quantumcomputing te verbeteren en conventionele elektronica sneller en energiezuiniger te maken.

Innovaties in qubit‑controle en schaalbaarheid

Aangezien quantumcomputers de capaciteit hebben om “de wereld drastisch te veranderen”, is er wereldwijd een race om een praktische quantumcomputer te bouwen.

Echter, een van de grootste uitdagingen die de groei van quantumcomputers belemmert, is schaalbaarheid, wat betekent dat computers groot genoeg moeten zijn om real‑world problemen aan te pakken. Om een quantumcomputer te hebben die nuttige problemen kan tackelen, hebben we ofwel meer qubits nodig of een betrouwbare manier om fouten die tijdens berekeningen ontstaan te verminderen.

Dus gingen onderzoekers in Japan de uitdaging aan door het beheersbare aantal qubits te verhogen en het vereiste aantal qubits te verlagen.

Een paar maanden geleden lieten de onderzoekers met succes een supergeleidend circuit zien dat veel qubits bij lage temperaturen kan aansturen.

In dit experiment werd een supergeleidend circuit getoond dat meerdere qubits via slechts één kabel kan aansturen met behulp van microgolf‑multiplexing. Het circuit heeft het potentieel om de dichtheid van microgolf‑signalen per kabel met ongeveer 1.000× te verbeteren. Deze prestatie kan het aantal controleerbare qubits aanzienlijk verhogen en bijdragen aan de ontwikkeling van grootschalige quantumcomputers.

Om de hardware die nodig is om tussen qubits en elektronica op kamertemperatuur te opereren te verminderen, werd een innovatieve ‘cryo‑electronics’ ontwikkeld. ‘Cryo‑electronics’ is elektronica voor qubit‑controle en uitlezing die werkt bij cryogene temperaturen nabij de qubits. 

Cryo‑electronics zijn ook aangetoond te functioneren bij hoge klokfrequenties op vier graden boven het absolute nulpunt. Nu ligt de focus op het verminderen van het energieverbruik om de warmte die naast de qubits wordt gegenereerd te minimaliseren. 

Een andere focus van Japanse onderzoekers is het vinden van manieren om verwerkingsfouten te corrigeren. Tegelijkertijd ontwikkelden onderzoekers van Princeton University een fabricagetechniek voor fout‑vrije quantumcomputing.

In dit onderzoek creëerden wetenschappers een supergeleidend laagje bovenop een topologische isolator, wolfraam‑ditelluride (WTe2). De techniek gebruikte een ‘zaad’ van neergelegd metaal (palladium) over het oppervlak van de isolator om een nieuwe kristallijne structuur, Pd7WTe2, te vormen, die nul weerstand vertoonde.

De atoom‑verspreidingstechniek werkt succesvol met diverse materialen, waaronder molybdeen‑ditelluride (MoTe2).

Hoewel verdere tests nodig zijn om te bepalen of het een topologische supergeleider is, geloven de onderzoekers dat nieuwe supergeleiders kunnen worden gecreëerd via hun algemene methode.

Aanpak van decoherentie en verbetering van prestaties

Een andere doorbraak in quantumcomputing kwam eerder dit jaar toen onderzoekers een nieuwe benadering van supergeleiding circuits introduceerden. Deze benadering heeft het potentieel om de runtime van een quantumcomputer aanzienlijk te verlengen.

Zoals we hebben opgemerkt, wordt de continue werking van zo’n computer onderbroken doordat de quantumtoestand van een qubit gemakkelijk kan worden gedestabiliseerd. Dit wordt decoherentie genoemd en leidt tot fouten in berekeningen. Dit gebeurt door interacties met andere qubits en hun omgeving.

En omdat supergeleiding qubits schakelen tussen verschillende toestanden in de kortst mogelijke tijd, staan ze centraal in groeiend onderzoek. Hoewel ze de schakeltijd kunnen verbeteren, zijn ze ook gevoeliger voor decoherentie binnen milliseconden.

Dus stelde een internationale groep onderzoekers een Josephson‑junction‑ontwerp voor, genaamd “flowermon”. Dit ontwerp maakt gebruik van twee één‑atoom‑dikke cupraten‑vlokken, een supergeleidend materiaal gebaseerd op koper.

“De flowermon moderniseert het oude idee om onconventionele supergeleiders te gebruiken voor beschermde quantumcircuits en combineert dit met nieuwe fabricagetechnieken en een nieuw begrip van supergeleiding‑circuit‑coherentie.”

– Uri Vool, een natuurkundige aan het Max‑Planck‑Instituut voor Chemische Fysica van Soliden in Duitsland

Volgens de berekeningen van het team kan hun ontwerp ruis verminderen en daardoor de coherentietijd van qubits met orders van grootte verhogen. Het was echter puur theoretisch, en het team is van plan de resultaten te gebruiken om supergeleiding qubits te optimaliseren.

Om de prestaties van quantumcomputers aan te pakken, ontwikkelde een team van onderzoekers van de University of Minnesota Twin Cities vorig jaar een afstelbare supergeleiding‑diode die niet alleen kan helpen bij het opschalen van quantumcomputers, maar ook kunstmatige‑intelligentiesystemen kan verbeteren. 

Een diode is een apparaat dat stroom in één richting laat vloeien. Hoewel ze meestal van halfgeleiders worden gemaakt, onderzoeken wetenschappers het maken van diodes met supergeleiders, die energieoverdracht mogelijk maken zonder verlies van vermogen.

De senior onderzoeksauteur  Vlad Pribiag, die universitair hoofddocent is aan de University of Minnesota School of Physics and Astronomy, merkte:

“We willen computers krachtiger maken, maar er zijn enkele harde limieten die we binnenkort zullen bereiken met onze huidige materialen en fabricagemethoden.” 

De grootste uitdaging voor het vergroten van rekenkracht is het dissiperen van energie, dus koos het team voor supergeleidingstechnologieën.

Het supergeleiding‑diode‑apparaat werd gebouwd met drie Josephson‑junctions. Terwijl het werd gemaakt door niet‑supergeleidend materiaal tussen supergeleiders te sandwicheren, hadden de onderzoekers hier de supergeleiders verbonden met lagen van halfgeleiders. 

Dit unieke ontwerp stelde de onderzoekers in staat het gedrag van het apparaat te regelen met spanning. Het kan bovendien meerdere elektrische signalen tegelijk verwerken, in tegenstelling tot gewone diodes die slechts één invoer‑ en uitvoer‑signaal per keer aankunnen. Deze kenmerken kunnen ervoor zorgen dat de supergeleiding‑diode zelfs wordt gebruikt in hersen‑geïnspireerde neuromorfe computing.

In neuromorfe computing worden elektrische circuits ontworpen om de werking van neuronen in de menselijke hersenen na te bootsen om de prestaties te verbeteren.

Volgens Mohit Gupta, de eerste auteur van het artikel, is deze nieuwe supergeleiding‑diode energie‑efficiënter dan andere supergeleiding‑diodes. Specifieker, voor het eerst is er een reeks poorten toegevoegd om de energiestroom te regelen. Deze functie is nog niet eerder in een supergeleiding‑diode geïntegreerd, maar deze studie heeft “aangetoond dat je poorten kunt toevoegen en elektrische velden kunt toepassen om dit effect af te stemmen.” 

Bovendien was het materiaal dat in dit onderzoek werd gebruikt meer industrievriendelijk en kon het nieuwe functionaliteiten leveren.

De techniek die in deze studie werd gebruikt kan verder worden toegepast met elke supergeleider, waardoor het zeer flexibel en compatibel is met industriële toepassingen. Deze eigenschappen kunnen helpen de ontwikkeling van quantumcomputers op grotere schaal te versnellen voor bredere toepassing.

“Op dit moment zijn alle quantumcomputermachines die er zijn zeer basaal ten opzichte van de behoeften van real‑world toepassingen. Opschalen is noodzakelijk om een computer te hebben die krachtig genoeg is om nuttige, complexe problemen aan te pakken.”

– Pribiag

Dit heeft vandaag een speciale betekenis nu het gebruik van AI aanzienlijk groeit. Dit heeft ertoe geleid dat mensen algoritmen onderzoeken voor computers of AI‑machines die de prestaties van klassieke computers kunnen overtreffen. Deze studie, merkte Pribiag op, ontwikkelt de hardware om quantumcomputers in staat te stellen deze algoritmen uit te voeren. 

Het onderzoek werd voornamelijk gefinancierd door het United States Department of Energy, met gedeeltelijke steun van de National Science Foundation en Microsoft Research.

Qubits verkleinen met 2D‑materialen zonder prestatieverlies

Voortdurend onderzoek en ontwikkeling hebben ertoe geleid dat wetenschappers supergeleiding‑qubits bouwen die veel kleiner zijn dan gebruikelijke qubits. Deze supergeleiding‑qubits werden gebouwd met behulp van 2D‑materialen.

Om de snelheid en capaciteit van klassieke computers te overtreffen, moeten de qubits van quantumcomputers op dezelfde golflengte liggen. Om dit te bereiken, moeten onderzoekers meestal de grootte van deze qubits opofferen, die zelfs vandaag nog in millimeters worden gemeten, in tegenstelling tot hun klassieke tegenhangers, waarvan de transistors zijn gekrompen tot nanometers.

Om de grootte van qubits te verkleinen zodat ze geen grote fysieke voetafdruk hebben en toch hun prestaties behouden, toonde James Hone, Wang Fong‑Jen Professor of Mechanical Engineering aan Columbia University, een echt kleine supergeleiding‑qubit‑condensator.

Voorheen gebruikten ingenieurs platte condensatoren om qubit‑chips te bouwen. Hier worden geladen platen naast elkaar geplaatst, en hoewel ze gestapeld kunnen worden om ruimte te besparen, zou dat de opslag van qubit‑informatie verstoren.

Dus plaatsten Hone’s PhD‑studenten Anjaly Rajendra en Abhinandan Antony een isolerende laag van boornitride tussen twee geladen platen van supergeleidend niobium‑diselenide. Slechts één atoom dik, worden deze lagen bijeengehouden door van‑der‑Waals‑krachten, een zwakke interactie tussen elektrostatische krachten. 

De condensatoren werden vervolgens gecombineerd met aluminium‑circuits om een chip te maken. Deze chip had twee qubits en was slechts 35 nanometer dik, 1.000 keer kleiner dan die geproduceerd met conventionele benaderingen.

Wanneer ze werden gekoeld, kregen de qubits dezelfde golflengte. Ze werden ook waargenomen als verstrengeld en fungeerden als één eenheid. Deze quantum‑coherentie, hoewel slechts kortstondig (iets meer dan één microseconde), betekent dat de quantumtoestand van de qubit kan worden gemanipuleerd en uitgelezen via elektrische pulsen. Volgens Hone:

“We weten nu dat 2D‑materialen de sleutel kunnen vormen om quantumcomputers mogelijk te maken. Het is nog erg vroeg, maar bevindingen als deze zullen onderzoekers wereldwijd stimuleren om nieuwe toepassingen van 2D‑materialen te overwegen. We hopen in de toekomst veel meer werk in deze richting te zien going forward.”

Dankzij hun unieke structuur hebben tweedimensionale (2D) quantummaterialen een belangrijke doorbraak in de materiaalkunde gemarkeerd. In tegenstelling tot 3D‑materialen zijn 2D‑quantummaterialen slechts één of enkele atomen dik, en kunnen elektronen zich in alle drie richtingen bewegen.

Enkele populaire 2D‑materialen zijn Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Transition Metal Dichalcogenides (TMDC’s) en Hexagonal Boron Nitride (h‑BN).

Hoewel deze materialen diverse eigenschappen en potentieel voor transformerende technologische toepassingen bieden, ondervinden ze uitdagingen op het gebied van synthese, integratie en schaalbaarheid die moeten worden overwonnen voordat hun volledige potentieel kan worden gerealiseerd.

Belangrijke bedrijven die de quantumcomputingrevolutie leiden

Laten we nu een kijkje nemen naar enkele prominente bedrijven die betrokken zijn bij supergeleiders en quantumcomputing:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet is heavily invested in quantum computing research through its subsidiary Google Quantum AI. The division has created a superconducting quantum processor called Sycamore, which, back in 2019, was able to complete a calculation in 200 seconds that otherwise would have taken 10,000 years for even a powerful supercomputer. Since then, the Sycamore quantum processor has grown substantially and now holds 70 qubits, making it 241 million times more robust than its previous model.

The tech giant has a market cap of $2.06 trillion, and its shares (GOOGL:NASDAQ) trade at $165.68, up 18.56% YTD. For Q2 2024, Alphabet reported a 28.6% increase in its net income to $23.6bln, while total revenue grew 14% to $84.74bln. The Google parent also announced a cash dividend of $0.20 per share.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA has been exploring quantum computing and superconductors through partnerships and collaborations. In March this year, the company announced the acceleration of its quantum computing efforts at national supercomputing sites in Germany, Japan, and Poland with the open-source NVIDIA CUDA-Q™ platform.

The AI darling of the market, NVIDIA stocks have been having a great time this year, as evidenced by their 161.24% spike in 2024 so far. This upside has NVDA shares trading at $129.45, putting the company’s market cap at $3.188 trillion. The chipmaker reported a record Q1 of 2024, with its revenue coming in at $22.1bln.

Conclusie

Dus, onderzoekers, organisaties en bedrijven over de hele wereld werken aan de vooruitgang van quantumcomputing, die uitblinkt in complexe probleemoplossing. De focus op supergeleidingstechnologie, in het bijzonder, helpt aanzienlijke vooruitgang te boeken en brengt ons dichter bij het realiseren van het volledige potentieel van deze transformerende technologie. 

Klik hier om meer te leren over de huidige staat van quantumcomputing.