Computing
Quantum computing: nieuwe slimme versterker bespaart energie
Een team onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden heeft een slim versterkersysteem geïntroduceerd waarmee quantumcomputers hun qubitdata kunnen maximaliseren. De upgrade zou toekomstige apparaten helpen op te schalen om te voldoen aan de groeiende vraag naar AI-gerichte computersystemen. Hier leest u hoe ingenieurs qubitversterkers hebben gebruikt 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 verschijnselen zoals superpositie en verstrengeling integreerde in zijn taken. Quantumcomputers kunnen supercomputers overtreffen en de meest complexe berekeningen uitvoeren die de mens vandaag de dag kent.
Bits versus Qubits
Hun kracht komt voort uit het gebruik van qubits in plaats van bits. Computers zijn tegenwoordig afhankelijk van bits aan data om te functioneren. Bits worden verzonden als enen en nullen met behulp van binaire code. Elke combinatie van deze cijfers kan specifieke informatie voor computers opleveren. Binaire code vormt al tientallen jaren een solide basis voor computers.
De introductie van quantumbits of qubits verandert alles. Door superpositie kunnen qubits alle waarden tegelijk bevatten, wat een enorme rekenkracht biedt. Alle quantumcomputers maken gebruik van speciale apparaten die ze gebruiken om de quantumdata te interpreteren, zogenaamde versterkers.
Versterkers
Versterkers versterken gevoelige microgolven om qubitsignalen te versterken. Ze vormen een cruciaal onderdeel van het ontwerp van quantumcomputers en zorgen ervoor dat qubitgegevens snel worden vastgelegd voordat de quantumtoestand verdwijnt.
Beperkingen van quantumcomputers
Er zijn enkele beperkingen aan quantumcomputers die hun acceptatie hebben vertraagd. Ten eerste zijn ze extreem duur in de bouw en het gebruik. Deze apparaten moeten op cryogene temperaturen worden gehouden om de qubits te stabiliseren en qubitdecoherentie te voorkomen.
Decoherentie kan om vele redenen optreden, waaronder magnetische, elektrische of thermische interferentie. Dit laatste is een ernstig probleem, aangezien elke versterker die aan een quantumcomputersysteem wordt toegevoegd, ook extra warmte en energie vereist. De kleinste temperatuurverandering kan ertoe leiden dat qubits hun integriteit verliezen en onbruikbaar worden voor berekeningen.
Binnen de Smart Amplifier-studie
De Politia Militar hield zelfs tijdens de pre-carnaval festiviteiten de zaken al nauwlettend in de gaten. Gepulste HEMT LNA-werking voor Qubit-uitlezing studie1, ontwikkeld door ingenieurs van de Chalmers University of Technology in Zweden, introduceert een nieuwe methode om de prestaties van quantumcomputers te verbeteren. De nieuwe aanpak is gebaseerd op krachtige qubits, aangestuurd door een speciaal ontwikkelde versterker en algoritme.
Het quantumcomputersysteem maakt gebruik van een aangepast, commercieel verkrijgbaar cryogeen hybride apparaat dat samenwerkt met een slimme versterker. De slimme versterker is ontworpen om alleen te functioneren wanneer quantumbits pulseren. Deze aanpak bracht veel 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 werkte om tussen qubitpulsen in en uit te schakelen. Om deze taak te volbrengen, ontwikkelden de ingenieurs een speciaal algoritme. Het geoptimaliseerde algoritme voor de gate-spanningsgolfvorm zorgde ervoor dat de versterker nauwkeuriger kon werken. Het algoritme was ook cruciaal voor het verminderen van het stroomverbruik en de warmteontwikkeling van het apparaat.
In tegenstelling tot traditionele versterkers, die constant draaien, vereist de pulsmethode dat het apparaat binnen milliseconden inschakelt. Ingenieurs hebben het algoritme verfijnd om deze taak uit te voeren en ervoor te zorgen dat de slimme versterker snel genoeg wordt geactiveerd om de qubit-uitlezing bij te houden.
Hoe de slimme versterker werd getest
De ingenieurs hebben hun nieuwe kwantum-smartversterker aan verschillende tests onderworpen om de mogelijkheden en prestaties ervan te garanderen. Het team begon met het analyseren van de beperkingen van het herstel van de versterkers. Deze test omvatte het registreren van de transiënte ruis van het apparaat en het meten van de prestaties.
De ingenieurs moesten ervoor zorgen dat de decoherentie tijdens deze berekeningen tot een minimum beperkt bleef. Daarom lieten ze het apparaat verschillende berekeningen op hoog niveau uitvoeren en registreerden ze eventuele ruis die ontstond terwijl het systeem nauwlettend functioneerde.
Het team maakte specifiek gebruik van een cryogene meetopstelling voor ruis in het tijdsdomein met een tijdsresolutie van 5 ns. De wetenschappers verbeterden de nauwkeurigheid door de gemeten standaarddeviatie (SD) van de ruis onder de 0.3 K te houden.
De volgende test mat de ruis in het tijdsdomein en de versterkingsprestaties als reactie op een vierkante gate-spanningsgolfvorm. Dit was een van de moeilijkste onderdelen van hun werk, aangezien qubits in nanoseconden pulseren, waardoor het timen en registreren van hun verschijning een uitdagende taak was.
Ten slotte documenteerde het team de drain-stroomtransiënten, waardoor ze het gemiddelde stroomverbruik van de pulsgestuurde slimme versterker konden berekenen. Het systeem hield rekening met alle stroomvereisten, inclusief het stroomverlies tijdens pulswerking.
Resultaten van slimme versterkers: sneller, koeler, beter
De testresultaten van de slimme versterker zijn indrukwekkend in vergelijking met hun voorgangers. Interessant is dat de studie de eerste succesvolle demonstratie vertegenwoordigt van ruisarme halfgeleiderversterkers voor quantum-uitlezing in gepulste werking, wat de deur opent voor toekomstige innovaties.
De ingenieurs hebben met name de tijd van de versterker gemeten om te zien hoe snel deze op quebits kan reageren. De tijd die het apparaat nodig heeft om de qubits te meten, bedraagt 35 nanoseconden. Ze merkten ook op dat de versterker tijdens zijn werkcyclus veel minder warmte en interferentie produceerde, wat resulteerde in een schonere signaalontvangst.
De groep bewees dat hun gepulste aanpak het stroomverbruik verlaagde zonder de prestaties te verminderen. In het verleden resulteerden versterkertoevoegingen in een hoger stroomverbruik van het systeem. Pas toen deze onderzoekers de tijd namen om een betrouwbaar pulsalgoritme te bestuderen en te ontwikkelen, konden de versterkerprestaties en het energieverbruik succesvol worden ontkoppeld.
Belangrijkste voordelen van de slimme versterker
De slimme versterker biedt een lange lijst aan voordelen voor de markt voor quantumcomputers. Ten eerste zou het cruciaal kunnen zijn voor de ontwikkeling van krachtige en energiezuinige quantumcomputers. Deze systemen zouden een betrouwbare en efficiënte structuur bieden voor grootschalige toepassingen.
Verhoogde gevoeligheid
De slimme versterker levert nauwkeurigere en gevoeligere metingen van qubitdata dankzij het pulsontwerp. Het algoritme zorgt ervoor dat het apparaat alleen werkt wanneer de qubits actief zijn. Het is de gevoeligste versterker ooit gebouwd met transistors, wat een belangrijke mijlpaal is in de quantumcomputersector.
Zeer efficiënte prestaties
Het ontwerp biedt ook het voordeel van energie-efficiëntie. Dit gepulste ontwerp verlaagt het gemiddelde energieverbruik met wel 85-90% in vergelijking met continu gebruik. Deze efficiëntie is cruciaal voor het ontwerp, aangezien AI-protocollen, die gebruikt zullen worden voor quantumcomputers, ook veel energie verbruiken.
Lage warmteproductie
Een ander voordeel van de pulserende slimme versterker is dat hij veel minder warmte produceert dan zijn voorgangers. Het nieuwe apparaat zorgt ervoor dat de cryogene kamers die quantumcomputers nodig hebben om te functioneren, met minder inspanning werken. Bovendien maakt het de weg vrij voor deze apparaten om in de toekomst kleiner te worden en in meer apparaten te worden geïntegreerd.
Toepassingen in de praktijk en tijdlijn voor uitrol
Er is een lange lijst met praktische toepassingen voor zeer efficiënte versterkers. De voor de hand liggende toepassing is het upgraden van quantumcomputers en het toegankelijker maken ervan voor het publiek. Binnenkort zullen datacenters voor quantumcomputers high-end rekencapaciteiten voor het grote publiek aanbieden via clouddiensten. Van daaruit zou de technologie uiteindelijk betaalbaar moeten worden voor de gemiddelde burger.
Het kan nog wel 10 jaar duren voordat je een quantumcomputer met een slimme versterker kunt gebruiken. Er zijn nog steeds veel kostenbeperkingen aan deze apparaten verbonden, zoals de noodzaak om in cryogene kamers te werken. Binnen de komende 5 jaar zullen cloudgebaseerde quantumcomputerdiensten echter aan populariteit winnen.
Drug ontwikkeling
Quantumcomputers die geavanceerde AI-algoritmen aandrijven, zullen de medische sector revolutioneren. AI-systemen spelen nu al een cruciale rol in de ontwikkeling van medicijnen en behandelingen. In de komende jaren zullen krachtige quantumcomputers helpen bij het verbeteren van het testen en creëren van nieuwe medicijnen zonder proefpersonen.
Encryptie
De encryptiesector zal grote veranderingen ondergaan nu quantumcomputers in gebruik worden genomen. Deze apparaten zullen voldoende kracht hebben om alle gangbare computergestuurde beveiligingsprotocollen snel te decimeren. Ze zullen dan ook cruciaal blijken te zijn 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 ontwikkelen van quantumcomputers voor toekomstige AI-systemen. AI-protocollen zijn slechts zo goed als hun training en datasets. Quantumcomputers zouden enorme datasets kunnen gebruiken en in recordtijd toegang kunnen krijgen tot gearchiveerde informatie. Deze aanpak zou deze systemen in staat stellen om binnen enkele seconden enorme en complexe berekeningen uit te voeren.
Logistiek
De logistieke sector is een andere sector waar quantumcomputers zouden kunnen schitteren. De logistieke markt vertegenwoordigt biljoenen goederen die dagelijks de wereld over reizen. De introductie van IoT-apparaten (Internet of Things) en AI heeft bijgedragen aan een betere traceerbaarheid.
Deze systemen hebben echter niet de kracht om het groeiende aantal sensoren en andere inputs die tijdens de productreis ontstaan, bij te houden. Quantumcomputers zouden toekomstige logistieke systemen kunnen ondersteunen en realtime efficiëntieverbeteringen in enorme netwerken mogelijk maken.
Onderzoekers van de Smart Amplifier Study
Het onderzoek naar de slimme versterker is uitgevoerd door een team onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden. De studie noemt Yin Zeng en Maurizio Toselli als de hoofdauteurs. Ook Jörgen Stenarson, Peter Sobis en Jan Grahn, hoogleraar microgolfelektronica aan Chalmers, steunen het onderzoek.
De financiering van het project kwam van het Vinnova-programma Smarter electronic systems en het Chalmers Centre for Wireless Infrastructure Technology (WiTECH).
Slimme versterkerstudie toekomst
De onderzoekers zien hun werk als de basis voor toekomstige ontwikkelingen. Ze hopen hun onderzoek naar hoogwaardige qubitversterkers voort te zetten en de integratie ervan in toekomstige quantumcomputerchips te vergemakkelijken.
Investeren in kwantumcomputers
In de quantumcomputerindustrie strijden verschillende topspelers om de titel. Deze bedrijven hebben miljoenen gestoken in de ontwikkeling van hoogwaardige apparaten die berekeningen kunnen uitvoeren op een niveau dat zelfs supercomputers nooit zouden kunnen bereiken. Dit is één bedrijf dat nog steeds levensvatbare oplossingen voor de markt levert.
Nvidia
Als je aan Nvidia denkt (NVDA ), je hebt waarschijnlijk visioenen van veeleisende GPU's. Het bedrijf heeft een reputatie opgebouwd als toonaangevende leverancier van deze apparaten, die cruciaal zijn voor high-end grafische toepassingen en cryptomining.
Wat de meeste mensen niet weten, is dat Nvidia ook een cruciale rol speelt in de markt voor quantumcomputers, waar het hardware en diensten levert aan fabrikanten. Een van de nieuwste producten van het bedrijf is de NVIDIA DGX Quantum.
Dit krachtige systeem en de bijbehorende referentiearchitectuur zijn specifiek ontworpen ter ondersteuning van kwantumklassieke computing. Het product is ontwikkeld in samenwerking met een andere belangrijke speler in de sector: Quantum Machines.
(NVDA )
Nvidia blijft met name onderzoek en ontwikkeling doen naar Quantum Processing Units (QPU's) en streeft ernaar de toonaangevende hardwareoplossing voor toekomstige systemen te worden. Als het bedrijf zijn positionering en pioniersstatus kan verzilveren, zou het marktdominantie kunnen bereiken, vergelijkbaar met zijn activiteiten in de grafische kaartensector.
Iedereen die ervaring wil opdoen in verschillende hightechsectoren, waaronder AI, graphics, gaming en quantum computing, zou meer onderzoek moeten doen naar Nvidia. Het bedrijf heeft een reputatie opgebouwd als leverancier van hoogwaardige hardware. In de toekomst hoopt het de infrastructuur te ontwikkelen die nodig is om de high-performance computing-systemen van morgen aan te drijven.
Laatste nieuws en ontwikkelingen over Nvidia (NVDA) aandelen
Laatste gedachten: een stap dichter bij schaalbare kwantumtechnologie
De studie naar slimme versterkers introduceerde een betrouwbare manier om 's werelds krachtigste computers nog sneller te maken. Bovendien verlaagt het apparaat het stroomverbruik, waardoor het ideaal is voor gebruik in duurzame systemen. Al deze factoren maken de slimme versterker tot een gamechanger die een nieuw tijdperk van ultrakrachtige computers kan inluiden.
Leer meer over andere ontwikkelingen op het gebied van quantumcomputers hier.
Geraadpleegde studies:
1. Zeng, Y., Stenarson, J., Sobis, P., & Grahn, J. (2025). Gepulste HEMT LNA-werking voor qubit-uitlezing. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Voorafgaande online publicatie. https://doi.org/10.1109/TMTT.2025.3556982
