Milliseconde-qubits betekenen een doorbraak in de kwantumtechnologie.

Doorbraak in supergeleidende qubits op millisecondenschaal

Kwantumcomputers zouden een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop we cryptografie uitvoeren, complexe simulaties uitvoeren zoals de 3D-configuratie van eiwitten berekenen, en waarschijnlijk nog veel meer toepassingen hebben waar we nu nog nauwelijks aan kunnen denken.

Om te functioneren hebben ze zo stabiel mogelijke "qubits" nodig, het fundamentele element van kwantumcomputing. Tot nu toe zijn alleen kwantumcomputers met "gevangen ionen" erin geslaagd om zeer stabiele qubits te genereren. Maar deze technologie is inherent moeilijker op te schalen dan supergeleidende qubits.

Hoewel supergeleidende qubits wellicht de toekomst van deze technologie zijn, is een verbetering van de stabiliteit van de coherentietijd van hun qubits noodzakelijk.

Dit is precies wat een groot team van onderzoekers aan de Princeton University onlangs heeft bereikt. Ze hebben een type supergeleidende qubits ontwikkeld die coherentie langer dan een milliseconde kunnen behouden, drie keer langer dan de beste prestatie ooit gemeten.

Ze publiceerden hun bevindingen in Nature.¹, onder de titel "Levensduur in milliseconden en coherentietijden in 2D transmon-qubits'.

De coherentielimiet van de qubit

Om kwantumcomputaties uit te voeren, moet een kwantumcomputer "coherentie" behouden, een speciale kwantumtoestand die extreem gevoelig is voor verstoringen vanuit de omgeving. Over het algemeen hebben thermische ruis en de beweging van deeltjes de neiging om coherentie binnen nanoseconden te vernietigen.

Onder speciale omstandigheden, zoals extreem lage temperaturen, kan de levensduur van een qubit langer zijn. Maar toch blijft een voldoende lange coherentie een grote beperking voor de meeste kwantumcomputers van vandaag. Dit leidt tot rekenfouten die niet alleen de totale rekenkracht verminderen, maar ook niet gemakkelijk te compenseren zijn met software-updates.

Het bepalen welk materiaal langer coherent kan blijven, is daarom een ​​cruciale stap voorwaarts die gezet moet worden voordat de kwantumcomputerindustrie commercieel inzetbaar wordt.

"De echte uitdaging, hetgeen ons ervan weerhoudt om vandaag de dag bruikbare kwantumcomputers te hebben, is dat je een qubit bouwt en de informatie gewoonweg niet lang meegaat."

Dit is de volgende grote stap voorwaarts.”

Andrew Houck, decaan van de faculteit Ingenieurswetenschappen van Princeton.

Hoe onderzoekers de coherentie van Transmon-qubits hebben uitgebreid

De onderzoekers gebruikten hetzelfde type supergeleidende qubits als bedrijven zoals Google of IBM in hun eigen kwantumcomputer. transmon qubits.

Transmon-qubits hebben als voordeel dat ze een hoge getrouwheid hebben (de getrouwheid van de poorten van individuele qubits is hoger dan 99.9%), op grote schaal geproduceerd kunnen worden en een hoge coherentietijd van 0.1 milliseconde hebben.

Dit is veelbelovend, maar de coherentietijd is nog steeds te kort.

Dus toen de onderzoekers van Princeton aankondigden dat ze erin geslaagd waren een qubit te creëren met een gemiddelde levensduur van 1.68 ms, was dat een enorme vooruitgang.

Bron: NATUUR

Dit is een qubitduur die 3 keer langer is dan de beste die ooit in een laboratorium is gemaakt, en 15 keer sterker dan de qubit die wordt gebruikt door particuliere bedrijven die kwantumcomputers ontwikkelen.

Waarom tantaal en silicium de kwantumcoherentie verbeteren

Tantaal versterkt coherentie

Om dit resultaat te bereiken, hebben de onderzoekers twee verschillende verbeteringen in het gebruikte materiaal toegepast.

Allereerst gebruikten ze een metaal genaamd tantaal als basislaag om de kwetsbare circuits te helpen energie te behouden. Dit komt doordat kleine, verborgen oppervlaktedefecten in het metaal energie kunnen opvangen en absorberen tijdens de beweging.

Het is met name problematisch wanneer er meer qubits aan een chip worden toegevoegd; dit type fout vermenigvuldigt zich dan zodanig dat de chip na een bepaald aantal onbruikbaar wordt.

Scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) werd gebruikt om de zeer regelmatige structuur van kubische tantaalkristallen te bevestigen.

Bron: NATUUR

Vergeleken met metalen zoals aluminium heeft tantaal veel minder defecten en is het zeer bestand tegen agressieve reinigingsprocessen die worden gebruikt om onzuiverheden te verwijderen.

"Je kunt tantaal in zuur doen, en toch veranderen de eigenschappen niet."

Faranak Bahrami – Onderzoek aan de Universiteit van Princeton

Het rechtstreeks laten groeien van tantaal op silicium was een uitdaging die veel inspanning vergde om te overwinnen.
Veeg om te scrollen →

Silicium vervangt saffier

Een andere bron van energieverlies die leidt tot verlies van coherentie is het saffiersubstraat dat in kwantumchips wordt gebruikt.

In plaats daarvan gebruikten de onderzoekers hoogwaardig (hoogresistief) silicium, een gangbaar standaardmateriaal in de traditionele computerindustrie.

Dankzij deze verbeteringen in de materialen die in dit tantaal-op-siliciumplatform worden gebruikt, bereiken de resulterende single-qubit-gates een getrouwheid van 99.994%.

Van baanbrekende laboratoriumexperimenten tot schaalbare kwantumchips

De onderzoekers gebruikten hun methode vervolgens om een ​​volledig functionerende kwantumchip te bouwen die alle eerdere ontwerpen overtreft.

Omdat de foutenmarge multiplicatief is, schaalt dit type verbetering exponentieel met de systeemgrootte. Daardoor heeft de 10-15x verbetering van de foutenmarge voor individuele qubits een veel groter effect op een computer met meerdere qubits.

Belangrijk is dat een dergelijke qubit geen exotisch nieuw concept is, maar simpelweg een "traditionele" supergeleidende qubit die gebruikmaakt van een ander materiaal. Hierdoor kunnen ze gemakkelijk worden geïntegreerd in bestaande kwantumcomputers en worden gebruikt door bestaande kwantumcomputersoftware.

"Door de componenten van Princeton in Google's beste kwantumprocessor, genaamd Willow, te plaatsen, zou deze 1,000 keer beter presteren."

De voordelen van de Princeton-qubit nemen exponentieel toe naarmate de systeemgrootte groeit, dus het toevoegen van meer qubits zou nog grotere voordelen opleveren.”

Andrew Houck, decaan van de faculteit Ingenieurswetenschappen van Princeton.

Dit betekent dat het ontwerp van Princeton een hypothetische computer met 1,000 qubits ongeveer 1 miljard keer beter zou kunnen laten werken.

Sterker nog, het gebruik van tantaal en silicium betekent dat de productiemethode aansluit op de methoden die al in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt, waardoor massaproductie een veel makkelijker te bereiken mijlpaal is dan bij een volledig nieuwe technologie.

Dit onderzoek lijkt erop te wijzen dat siliciumkwantumchips, wat we eerder besproken hebbenzijn waarschijnlijk de juiste richting voor de kwantumcomputerindustrie.

Samen met betere kwantumlichtbronnen, hybride kwantum-fotonische chipsen de mogelijkheid om kwantuminformatie samen met de normale datastroom in de telecommunicatie te transporterenDeze stappen richting veel grotere kwantumcomputers laten zien dat de technologie snel commercieel volwassen wordt.

Investeren in innovatie op het gebied van kwantumcomputing

1. Alfabet Inc.

Google is zeer actief op het gebied van kwantumcomputing, voornamelijk via zijn Google Quantum AI-lab en Quantum AI-campus in Santa Barbara.

De kwantumcomputer van Google schreef in 2019 geschiedenis toen het bedrijf beweerde "kwantumsuperioriteit" te hebben bereikt met zijn Sycamore-machine. De machine voerde in 200 seconden een berekening uit waar een conventionele supercomputer 10,000 jaar over zou hebben gedaan.

Dit wordt nu overschaduwd door de prestaties van de nieuwste chip, genaamd WillowDit is de allereerste kwantumcomputerchip met een foutpercentage dat zo laag is dat hoe meer qubits je toevoegt, hoe minder fouten er optreden. Daarmee is het het allereerste schaalbare kwantumchipontwerp.

Maar misschien zal de grootste bijdrage van Google wel op het gebied van software liggen, een activiteit waarin het bedrijf een indrukwekkende staat van dienst heeft, zelfs beter dan op het gebied van hardware (Search, G Suite, Android, enz.).

Google's Quantum AI biedt al een softwarepakket aan dat wetenschappers helpt bij het ontwikkelen van quantumalgoritmes.

Het pleit ook openlijk voor “onderzoekers, ingenieurs en ontwikkelaars om zich bij ons aan te sluiten op deze reis door onze open source software en educatieve middelen, waaronder onze nieuwe cursus op Coursera, waar ontwikkelaars de basisbeginselen van kwantumfoutcorrectie kunnen leren en ons kunnen helpen algoritmen te creëren die de problemen van de toekomst kunnen oplossen."

Dankzij deze open aanpak loopt Google nu voorop in zowel hardware als cloudoplossingen. Google zou wel eens een van de bedrijven kunnen zijn die de standaard zet voor quantumcomputersoftware en quantumprogrammering, wat het een bevoorrechte positie geeft om de toekomstige evolutie van het vakgebied te sturen.

Ondertussen zouden AI-oplossingen, waaronder de zelfrijdende auto van Waymo, de nieuwe omzetmotor voor Alphabet kunnen worden. Alphabet heeft namelijk nog steeds een zeer dominante positie in de zoek- en advertentiebranche.

Je kunt meer te weten komen over de niet-kwantumgerelateerde activiteiten van Google, met name advertenties en AI. in ons speciale rapport van december 2024.

Laatste nieuws en ontwikkelingen rondom het Alphabet (GOOGL) aandeel.

Studie waarnaar verwezen wordt:

^{1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC et al. Levensduur in milliseconden en coherentietijden in 2D transmon-qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}