Computing
Quantum Computing: Nieuwe slimme versterker bespaart energie
Een team van onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden introduceerde een slim versterkersysteem dat quantumcomputers in staat stelt hun qubit‑gegevens te maximaliseren. De upgrade zou toekomstige apparaten helpen opschalen om te voldoen aan de groeiende vraag naar AI‑centrische computersystemen. Hier is hoe ingenieurs qubit‑versterkers gebruikten om de prestaties van quantumcomputers te verbeteren.
Quantumcomputers
Er is de laatste tijd veel over quantumcomputers gesproken. Deze apparaten, die pas in 1998 werden uitgevonden, gebruiken qubits in plaats van traditionele computerbits. De eerste quantumcomputer was een 2‑qubit nucleaire magnetische resonantie (NMR) quantumcomputer.
Het ontwerp was revolutionair omdat het kwantummechanische fenomenen zoals superpositie en verstrengeling integreerde om zijn taken uit te voeren. Opmerkelijk is dat quantumcomputers supercomputers kunnen overtreffen en in staat zijn de meest complexe berekeningen die de mens kent vandaag aan te kunnen.
Bits versus Qubits
Hun kracht komt voort uit het gebruik van qubits in plaats van bits. Huidige computers vertrouwen op bits om te functioneren. Bits worden verzonden als 1’s en 0’s met behulp van binaire code. Elke combinatie van deze cijfers kan specifieke informatie voor computers vertegenwoordigen. Binaire code is al tientallen jaren een solide basis voor informatica.
De introductie van kwantumbits, of qubits, verandert alles. Door superpositie kunnen qubits alle waarden tegelijk dragen, wat een enorme hoeveelheid rekenkracht biedt. Opmerkelijk is dat alle quantumcomputers afhankelijk zijn van speciale apparaten die de kwantumgegevens interpreteren, zogenaamde versterkers.
Versterkers
Versterkers versterken gevoelige microgolven om qubitsignalen te versterken. Ze vormen een cruciaal onderdeel van het ontwerp van quantumcomputers, waar ze helpen ervoor te zorgen dat qubit‑gegevens snel worden vastgelegd voordat de kwantumtoestand verdwijnt.
Beperkingen van quantumcomputers
Er zijn enkele beperkingen van quantumcomputers die hun adoptie hebben vertraagd. Ten eerste zijn ze extreem duur om te bouwen en te exploiteren. Deze apparaten moeten op cryogene temperaturen worden gehouden om de qubits te stabiliseren en elke decoherentie van qubits te voorkomen.
Decoherentie kan om verschillende redenen optreden, waaronder magnetische, elektrische of warmte‑interferentie. Het laatste is een ernstig probleem omdat elke versterker die aan een quantumcomputersysteem wordt toegevoegd extra warmte en energiebehoeften met zich meebrengt. De kleinste temperatuursverandering kan ertoe leiden dat qubits hun integriteit verliezen en onbruikbaar worden voor berekeningen.
In de studie over de slimme versterker
De Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout studie1, gepresenteerd door ingenieurs van de Chalmers University of Technology in Zweden, introduceert een nieuwe methode om de prestaties van quantumcomputers op te schalen. De nieuwe aanpak vertrouwt op hoogpresterende qubits die worden aangedreven door een speciaal gebouwde versterker en algoritme.
Het quantumcomputersysteem maakt gebruik van een aangepast commercieel verkrijgbaar cryogeen hybride apparaat om samen te werken met een slimme versterker. De slimme versterker is gebouwd om alleen te functioneren wanneer qubits pulseren. Deze aanpak bracht vele uitdagingen met zich mee die onderzoekers moesten overwinnen om succesvol te zijn.
Ten eerste moest het team het apparaat zo configureren dat het snel genoeg kon schakelen tussen qubit‑pulsen. Om deze taak te volbrengen, ontwikkelden de ingenieurs een speciaal algoritme. Het geoptimaliseerde poortspanningsgolfvorm‑algoritme stelde de versterker in staat nauwkeuriger te werken. Het algoritme was ook cruciaal voor het verminderen van het energieverbruik en de warmte die het apparaat genereerde.
In tegenstelling tot traditionele versterkers, die continu draaien, vereist de pulsmethode dat het apparaat binnen milliseconden opstart. Ingenieurs hebben het algoritme fijn afgestemd om deze taak te volbrengen, zodat de slimme versterker snel genoeg werd geactiveerd om gelijke tred te houden met de qubit‑leesoperatie.
Hoe de slimme versterker werd getest
De ingenieurs hebben hun nieuwe quantum slimme versterker door verschillende tests laten gaan om de mogelijkheden en prestatiemetingen te waarborgen. Het team begon met het analyseren van de herstelbeperkingen van de versterkers. Deze test omvatte het opnemen van het transiënte ruis van het apparaat en het meten van de prestaties.
De ingenieurs moesten ervoor zorgen dat decoherentie tot een minimum werd beperkt tijdens deze berekeningen. Daarom liet het apparaat verschillende hoog‑niveau berekeningen uitvoeren, waarbij elke geproduceerde ruis nauwkeurig werd geregistreerd terwijl het systeem opereerde.
Specifiek maakte het team gebruik van een cryogene tijdsdomein ruismeetopstelling met een tijdsresolutie van 5 ns. Vanaf daar verbeterden de wetenschappers de nauwkeurigheid door de gemeten ruisstandaarddeviatie (SD) onder 0,3 K te houden.
De volgende test meette de tijdsdomein ruis en de versterkingsprestaties als reactie op een vierkante poortspanningsgolfvorm. Dit was een van de moeilijkste onderdelen van hun werk, omdat qubits in nanoseconden pulseren, waardoor het timen en registreren van hun verschijning een uitdagende taak is.
Tenslotte documenteerde het team de drainstroomtransiënten, waardoor ze het gemiddelde energieverbruik van de pulsgestuurde slimme versterker konden berekenen. Het systeem hield rekening met alle energiebehoeften, inclusief energieverlies tijdens pulsbewerkingen.
Resultaten van de slimme versterker: Sneller, Koeler, Beter
De testresultaten van de slimme versterker zijn indrukwekkend in vergelijking met voorgangers. Interessant is dat de studie de eerste succesvolle demonstratie is van laagruis halfgeleiderversterkers voor quantum‑leesoperaties in pulsbewerking, wat de deur opent voor toekomstige innovaties.
Opmerkelijk is dat de ingenieurs de versterker hebben getimed om te zien hoe snel hij op qubits kon reageren. Het apparaat wordt getimed op 35 nanoseconden bij het meten van de qubits. Ze merkten ook op dat de versterker veel minder warmte en interferentie produceerde tijdens zijn werkcyclus, wat resulteerde in een schonere signaalontvangst.
De groep bewees dat hun pulsmethode het energieverbruik verminderde zonder de prestaties te verminderen. In het verleden leidden extra versterkers tot een hoger energieverbruik van het systeem. Pas toen deze onderzoekers de tijd namen om een betrouwbaar pulse‑algoritme te bestuderen en te creëren, kon de versterkerprestaties en het energieverbruik succesvol worden ontkoppeld.
Belangrijkste voordelen van de slimme versterker
Er is een lange lijst met voordelen die de slimme versterker biedt aan de markt voor quantumcomputers. Ten eerste zou hij cruciaal kunnen zijn voor de ontwikkeling van high‑performance en low‑power quantumcomputers. Deze systemen zouden een betrouwbare en efficiënte structuur bieden voor grootschalige toepassingen.
Verhoogde gevoeligheid
De slimme versterker levert nauwkeurigere en gevoeliger metingen van qubit‑gegevens dankzij het pulsonderwerp. Het algoritme zorgt ervoor dat het apparaat alleen werkt wanneer de qubits actief zijn. Het is de meest gevoelige versterker die ooit met transistors is gebouwd, wat een belangrijke mijlpaal betekent in de quantumcomputersector.
Zeer efficiënte prestaties
Het ontwerp biedt ook het voordeel van energie‑efficiëntie. Dit pulsonderwerp vermindert het gemiddelde energieverbruik met tot ~85–90% vergeleken met continue werking. Deze efficiëntie is cruciaal voor het ontwerp, aangezien AI‑protocollen, die op quantumcomputers zullen draaien, ook veel energie vereisen.
Lage warmteproductie
Een ander voordeel van de pulsslimme versterker is dat hij veel minder warmte genereert dan zijn voorgangers. Het nieuwe apparaat maakt het mogelijk dat de cryogene kamers die quantumcomputers nodig hebben minder inspanning vereisen. Bovendien opent het de deur voor deze apparaten om kleiner te worden en in de toekomst in meer systemen te worden geïntegreerd.
Praktische toepassingen en uitroltijdlijn
Er is een lange lijst met praktische toepassingen voor zeer efficiënte versterkers. Het voor de hand liggende gebruik is het upgraden van quantumcomputers en het toegankelijker maken voor het publiek. Binnenkort zullen quantumcomputerdatacenters via clouddiensten high‑end rekenkracht aan de massa bieden. Van daaruit zou de technologie uiteindelijk betaalbaar moeten worden voor de gemiddelde persoon.
Het kan meer dan 10 jaar duren voordat je een quantumcomputer met een slimme versterker kunt gebruiken. Er zijn nog steeds veel kostenbeperkingen voor deze apparaten, zoals de noodzaak om met cryogene kamers te werken. Echter, binnen de komende 5 jaar zullen cloudgebaseerde quantumcomputerdiensten aan momentum winnen.
Medicijnontwikkeling
Quantumcomputers die geavanceerde AI‑algoritmen aandrijven, zullen de medische sector revolutioneren. AI‑systemen spelen al een cruciale rol bij de ontwikkeling van medicijnen en behandelingen. In de komende jaren zullen high‑performance quantumcomputers helpen bij het verbeteren van het testen en creëren van nieuwe geneesmiddelen zonder proefpersonen te gebruiken.
Encryptie
De encryptiesector zal grote veranderingen ondergaan zodra quantumcomputers in gebruik worden genomen. Deze apparaten hebben voldoende kracht om reguliere, door computers aangedreven beveiligingsprotocollen snel te doorbreken. Hierdoor zullen ze cruciaal blijken voor het beveiligen van toekomstige computersystemen en het voorkomen van grootschalige datalekken of hacks.
De AI van morgen aandrijven
De beste toepassing voor slimme versterkers is het creëren van quantumcomputers die toekomstige AI‑systemen aandrijven. AI‑protocollen zijn alleen zo goed als hun training en datasets. Quantumcomputers kunnen enorme datasets benutten en gearchiveerde informatie in recordtijd raadplegen. Deze aanpak stelt deze systemen in staat om enorme en complexe berekeningen in seconden uit te voeren.
Logistiek
De logistieke sector is een ander gebied waar quantumcomputers kunnen schitteren. De logistieke markt omvat dagelijks biljoenen goederen die over de hele wereld reizen. De introductie van IoT (Internet of Things)‑apparaten en AI heeft de traceerbaarheid verbeterd.
Echter, deze systemen hebben niet de kracht om gelijke tred te houden met het groeiende aantal sensoren en andere inputs die tijdens de reis van een product ontstaan. Quantumcomputers kunnen toekomstige logistieke systemen ondersteunen, waardoor realtime efficiëntie‑upgrades mogelijk worden gemaakt over enorme netwerken.
Onderzoekers van de slimme versterkerstudie
De studie over de slimme versterker werd gepresenteerd door een team van onderzoekers van de Chalmers University of Technology, gevestigd in Zweden. De studie vermeldt Yin Zeng en Maurizio Toselli als de belangrijkste auteurs van het werk. Daarnaast wordt steun getoond door Jörgen Stenarson, Peter Sobis en Jan Grahn, een professor in microgolf‑elektronica aan Chalmers.
Financiering voor het project kwam van het Vinnova‑programma Smarter electronic systems en het Chalmers Centre for Wireless Infrastructure Technology (WiTECH).
Toekomst van de slimme versterkerstudie
De onderzoekers zien hun werk als de basis voor toekomstige ontwikkelingen. Ze hopen hun studies naar high‑performance qubitversterkers voort te zetten en streven ernaar het apparaat gemakkelijker te integreren in toekomstige quantumcomputerchips.
Investeren in quantumcomputers
De quantumcomputerindustrie kent verschillende topbedrijven die strijden om de titel. Deze bedrijven hebben miljoenen geïnvesteerd in het creëren van high‑performance apparaten die berekeningen kunnen uitvoeren op een niveau dat zelfs supercomputers nooit kunnen bereiken. Hier is een bedrijf dat blijft voorzien in levensvatbare oplossingen voor de markt.
Nvidia
Wanneer je aan Nvidia (NVDA ) denkt, krijg je waarschijnlijk beelden van veelgevraagde GPU’s. Het bedrijf heeft een reputatie opgebouwd als toonaangevende leverancier van deze apparaten, die cruciaal zijn voor high‑end graphics en cryptomining.
Wat de meeste mensen niet weten, is dat Nvidia ook een cruciale rol speelt in de quantumcomputermarkt, waar het hardware en diensten aan fabrikanten levert. De nieuwste producten van het bedrijf omvatten de NVIDIA DGX Quantum.
Dit high‑performance systeem en referentie‑architectuur zijn specifiek ontworpen om quantum‑klassieke computing te ondersteunen. Het product werd ontwikkeld in samenwerking met een andere grote speler in de sector, Quantum Machines.
(NVDA )
Opmerkelijk is dat Nvidia doorgaat met onderzoek en ontwikkeling van Quantum Processing Units (QPUs), met als doel de toonaangevende hardwareoplossing voor toekomstige systemen te worden. Als het bedrijf kan profiteren van zijn positie en first‑moverstatus, kan dit ertoe leiden dat het bedrijf marktdominantie bereikt, vergelijkbaar met zijn prestaties in de grafische kaartsector.
Wie blootstelling zoekt aan verschillende hightech sectoren, waaronder AI, graphics, gaming en quantumcomputing, zou meer onderzoek naar Nvidia moeten doen. Het bedrijf heeft een reputatie opgebouwd als een kwaliteitsleverancier van hardware. Vooruitkijkend hoopt het de infrastructuur te leggen die nodig is om de high‑performance computersystemen van morgen van stroom te voorzien.
Laatste Nvidia (NVDA) aandelennieuws en ontwikkelingen
Eindgedachten: Een stap dichter bij schaalbare quantum
De studie over de slimme versterker introduceerde een betrouwbare manier om ‘s werelds krachtigste computers nog sneller te maken. Bovendien vermindert het apparaat het energieverbruik, waardoor het ideaal is voor gebruik in duurzame systemen. Al deze factoren maken de slimme versterker een game‑changer die kan bijdragen aan een nieuw tijdperk van ultra‑krachtige computers.
Lees meer over andere quantumcomputerontwikkelingen hier.
Gerefereerde studies:
1. Zeng, Y., Stenarson, J., Sobis, P., & Grahn, J. (2025). Pulsed HEMT LNA operation for qubit readout. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Advance online publication. https://doi.org/10.1109/TMTT.2025.3556982
