Milliseconden Qubits Markeren een Doorbraak in Kwantumtechnologie

Doorbraak in Milliseconden-Schaal Supergeleidende Qubits

Quantumcomputers zouden de manier waarop we cryptografie uitvoeren, complexe simulaties zoals de 3D‑configuratie van eiwitten berekenen, kunnen revolutioneren, en waarschijnlijk nog veel meer toepassingen hebben waarvan we vandaag de dag nauwelijks kunnen raden.

Om te functioneren hebben ze zo stabiel mogelijke “qubits” nodig, het fundamentele element van kwantumcomputatie. Tot nu toe hebben alleen “trapped ion” quantumcomputers erin geslaagd zeer stabiele qubits te genereren. Maar deze technologie is van nature moeilijker schaalbaar dan supergeleidende qubits.

Dus hoewel supergeleidende qubits de toekomst van deze technologie kunnen zijn, is een verbetering in de stabiliteit van hun coherentie‑tijd vereist.

Dit is precies wat een groot team onderzoekers van Princeton University zojuist heeft bereikt. Ze creëerden een type supergeleidende qubits dat de coherentie langer dan een milliseconde kan behouden, 3× langer dan ooit eerder geregistreerd.

Ze publiceerden hun bevindingen in Nature¹, onder de titel “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.

De Coherentie‑limiet van Qubits

Om kwantumcomputatie uit te voeren, moet een quantumcomputer “coherentie” behouden, een speciale kwantumtoestand die extreem gevoelig is voor interferentie van de omgeving. Over het algemeen vernietigen thermisch ruis en de beweging van deeltjes de coherentie binnen nanoseconden.

In speciale omstandigheden, zoals ultra‑koude condities, kan de levensduur van een qubit langer zijn. Maar zelfs dan blijft voldoende coherentie een grote beperking voor de meeste quantumcomputers van vandaag, wat leidt tot rekenfouten die niet alleen de totale rekencapaciteit verminderen, maar ook niet gemakkelijk kunnen worden gecompenseerd met software‑updates.

Het bepalen welk materiaal de coherentie langer kan behouden, is een cruciale stap die gezet moet worden voordat de quantumcomputing‑industrie de commerciële fase bereikt.

“De echte uitdaging, het ding dat ons ervan weerhoudt vandaag bruikbare quantumcomputers te hebben, is dat je een qubit bouwt en de informatie gewoon niet lang genoeg blijft bestaan.

Dit is de volgende grote sprong vooruit.”

Andrew Houck, Princeton’s dean of engineering

Hoe Onderzoekers de Coherentie van Transmon Qubits Verlengden

De onderzoekers gebruikten hetzelfde type supergeleidende qubits dat bedrijven als Google of IBM in hun eigen quantumcomputer gebruiken, transmon qubits.

Transmon qubits hebben het voordeel dat ze een hoge fideliteit hebben (enkele‑qubit‑poortfideliteiten boven de 99,9 %), op schaal geproduceerd kunnen worden, en een hoge coherentie‑tijd van 0,1 milliseconde hebben.

Dit is veelbelovend, maar de coherentie‑tijd is nog steeds te laag.

Dus toen de Princeton‑onderzoekers aankondigden dat ze een qubit hadden gecreëerd met een gemiddelde levensduur van 1,68 ms, was dat een enorme verbetering.

Bron: Nature

Dit is een qubitduur die 3× langer is dan ooit eerder in een laboratorium gecreëerd, en 15× sterker dan die gebruikt wordt door particuliere bedrijven die quantumcomputers ontwikkelen.

Waarom Tantalum en Silicium de Kwantumcoherentie Verbeteren

Tantalum Verbetert Coherentie

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

Ten eerste gebruikten ze een metaal genaamd tantaal als basislaag om de fragiele circuits te helpen energie te behouden. Dit komt doordat kleine, verborgen oppervlakte‑defecten in het metaal energie kunnen opsluiten en absorberen terwijl deze beweegt.

Dit is vooral problematisch wanneer meer qubits aan een chip worden toegevoegd; dit type fout vermenigvuldigt zich tot het punt dat het na een bepaald aantal onbruikbaar wordt.

Scanning transmission electron microscopy (STEM) werd gebruikt om de zeer regelmatige structuur van kubieke tantaalkristallen te bevestigen.

Bron: Nature

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 de eigenschappen blijven toch onveranderd.”

Faranak Bahrami – Research at Princeton University

Tantaal direct op silicium laten groeien was een uitdaging die veel inspanning vergde om te overwinnen.
Swipe to scroll →

Silicium Vervangt Saffier

Een andere bron van energieverlies die leidt tot verlies van coherentie is het saffier‑substraat dat in quantumchips wordt gebruikt.

In plaats daarvan gebruikten de onderzoekers hoogwaardig (hoog‑resistent) silicium, een gangbaar standaardmateriaal van de traditionele computerindustrie.

Samen zorgden deze verbeteringen in de materialen die in dit tantaal‑op‑silicium‑platform werden gebruikt ervoor dat de resulterende single‑qubit‑poorten een fideliteit van 99,994 % bereikten.

Van Laboratoriumdoorbraak naar Schaalbare Quantumchips

De onderzoekers gingen verder met hun methode om een volledig functionerende quantumchip te bouwen die alle eerdere ontwerpen overtreft.

Omdat de foutkans multiplicatief is, schaalt dit type verbetering exponentieel met de systeemgrootte. Als gevolg heeft de 10‑15× verbetering in foutkans voor individuele qubits een veel groter effect op een multi‑qubit‑computer.

Belangrijk is dat zo’n qubit geen exotisch nieuw concept is, maar simpelweg een “traditionele” supergeleidende qubit die een ander materiaal gebruikt, zodat ze gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in bestaande quantumcomputers en kunnen worden gebruikt door bestaande quantum‑computersoftware.

“Het vervangen van Princeton’s componenten in Google’s beste quantumprocessor, genaamd Willow, zou het mogelijk maken om 1.000 keer beter te werken.

De voordelen van de Princeton‑qubit groeien exponentieel naarmate de systeemgrootte toeneemt, dus het toevoegen van meer qubits zou nog grotere voordelen opleveren.”

Andrew Houck, Princeton’s dean of engineering

Dit betekent dat Princeton’s ontwerp een hypothetische 1.000‑qubit‑computer ongeveer 1 miljard keer beter zou kunnen laten werken.

Even beter, het gebruik van tantaal en silicium betekent dat de productiemethode past bij de methoden die al in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt, waardoor massaproductie een veel gemakkelijker mijlpaal is om te bereiken dan een geheel nieuwe technologie.

Dit onderzoek lijkt erop te wijzen dat silicium‑quantumchips, waar we eerder over spraken, waarschijnlijk de juiste richting zijn voor de quantumcomputing‑industrie.

Samen met betere kwantumlichtbronnen, hybride kwantum‑fotonic chips, en de mogelijkheid om kwantuminformatie mee te dragen met de normale telecomdatastroom, laten deze stappen naar veel grotere quantumcomputers zien dat de technologie snel commerciële volwassenheid bereikt.

Investeren in Innovatie van Quantumcomputing

1. Alphabet Inc.

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

Google’s quantumcomputer schreef geschiedenis in 2019 toen het beweerde “quantum supremacy” te hebben bereikt met zijn Sycamore‑machine. De machine voerde een berekening uit in 200 seconden die een conventionele supercomputer 10.000 jaar zou hebben gekost.

Dit wordt nu overschaduwd door de prestaties van zijn nieuwste chip, genaamd Willow. Dit is de allereerste quantumcomputing‑chip met een foutkans laag genoeg zodat hoe meer qubits je toevoegt, hoe minder fout je krijgt. Het maakt het het eerste schaalbare quantumchip‑ontwerp.

Maar misschien is de grootste bijdrage van Google in software, een activiteit waarin het een indrukwekkend trackrecord heeft, zelfs beter dan in hardware (Search, G Suite, Android, enz.).

Al biedt Google’s Quantum AI een reeks software die is ontworpen om wetenschappers te helpen bij het ontwikkelen van quantumalgoritmen.

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 bronnen te bekijken, inclusief onze nieuwe cursus op Coursera, waar ontwikkelaars de basisprincipes van quantum‑foutcorrectie kunnen leren en ons kunnen helpen algoritmen te creëren die de problemen van de toekomst kunnen oplossen.”

Dankzij deze open benadering leidt Google nu zowel in hardware als in zijn cloud‑oplossingen. Google zou een van de bedrijven kunnen zijn die de normen voor quantumcomputing‑software en quantumprogrammering bepalen, waardoor het een bevoorrechte positie krijgt om de toekomstige evolutie van het veld te sturen.

Tegelijkertijd zouden AI‑oplossingen, inclusief Waymo’s zelfrijdende auto, de nieuwe inkomstenbron voor Alphabet (GOOG ) kunnen worden, dat nog steeds een massaal dominante positie heeft in de zoek‑ en advertentie‑industrieën.

U kunt meer leren over Google’s niet‑quantumgerelateerde activiteiten, vooral advertenties en AI, in ons speciale rapport van december 2024.

Laatste Alphabet (GOOGL) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Studie Gerefereerd:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}