Kvantebrikker nær virkeligheten med skalerbar silisiumdesign

Diraq-forskere avduket en kommersielt levedyktig metode for fabrikasjon av kvantebiter i stor skala med høy kvalitet, som kan revolusjonere databehandlingssektoren. Dette prinsippbeviset benytter tradisjonelle produksjonsprosesser som har blitt brukt i flere tiår for å levere pålitelige, storskala og feiltolerante kvantedatamaskinbrikker som beholder maksimal gjengivelse. Her er hva du trenger å vite.

Etterspørselen etter rimelige kvantedatamaskiner er økende

Det er en økende etterspørsel etter kvanteberegningstjenester og spesialister. I følge nylige rapporter, har selskaper allerede brukt 2.35 milliarder dollar på kvantetjenester i fjor. I tillegg har sektoren opplevd en betydelig økning i ansettelser, med LinkedIn-statistikk som indikerer en økning på 180 % i selskaper som søker kvantefagfolk mellom 2020 og 2024.

Det er mange grunner til den økende etterspørselen etter kvantedatamaskiner. En slik grunn er militære anvendelser. Over hele verden har militæret investert betydelige midler i håp om å få et konkurransefortrinn over konkurrentene sine.

Initiativ for kvantebenchmarking

Det amerikanske forsvarsforskningsbyrået DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) er for tiden vertskap for Quantum Benchmarking Initiative. Målet med dette prosjektet er å finne ut om kvantedatamaskinbrikker kan skaleres og gjøres mer holdbare enn deres nåværende design, som har en skjør kvantetilstand.

For å utføre denne oppgaven har 18 selskaper blitt valgt ut til å konkurrere mot hverandre for å oppnå nytteskala innenfor kvantedatamaskinsektoren. Nytteskala er et begrep som refererer til kvantedatamaskinens evne til å løse problemer som langt overgår dagens superdatamaskiner.

Denne oppgaven vil kreve feilretting i sanntid for å oppfylle kravene til høy kvalitet. Kvalitet refererer til brikkens nøyaktighet. Ingeniører må lage en kvantebrikke som kan lagre og få tilgang til enorme mengder informasjon samtidig som den opprettholder mer enn 100 qubits pålitelig på tvers av den skjøre kvantetilstanden.

Silisiumbaserte kvantebrikker

Det har vært mange forskjellige typer kvantebrikker som har blitt brukt til å lage kvantemaskinvare. Innføringen av silisiumbaserte kvantebrikker har imidlertid betydelige fordeler.

For det første kan de utnytte milliardene av dollar i infrastruktur og fabrikasjonsstrategier som allerede er på plass for tradisjonelle brikker. I tillegg kan brikkene få plass til millioner av qubits på én enkelt brikke. Disse qubitsene er plassert nøyaktig for å gi effektiv kvantedatabehandling.

De neste trinnene

Ingeniører har erkjent potensialet som silisium spin-qubit-teknologi gir, og har lett etter måter å forbedre disse brikkedesignene på. Forskningen deres har inkludert omfattende laboratorietesting. Laboratorieresultatene har vist seg å være nøyaktige. Imidlertid har det til dags dato ikke vært noe forsøk på å se om samme nøyaktighetsnivå kan oppnås ved å bruke tradisjonelle fabrikasjonsmetoder i industriell skala.

Kilde - Natur

For å kunne utføre denne oppgaven må ingeniører overvinne flere materielle utfordringer. Designet deres må ta hensyn til interferens forårsaket av ladestøy og statisk forstyrrelse. Disse problemene oppstår på grunn av defekter og feller ved grensesnitt og oksider som finnes i silisiumbrikkedesign.

Storskala kvantebrikkefabrikasjonsstudie

den nylige Industrikompatible silisium spin-qubit-enhetsceller med over 99 % gjengivelse¹ Studien publisert 24. september i Nature gir verdifull innsikt i viktige målinger som er ansvarlige for å oppnå skalerbare kvantebrikker.

Den knytter sammen sanntidsovervåkingsmuligheter og evnen til å korrigere kvantefeil. Mer spesifikt peker den på korrelasjoner mellom elektrisk støy og Hall-stangtransport. Som en del av arbeidet utviklet Diraq en ny programvare for modellering av brikkedesign.

De inngikk et samarbeid med chipfabrikasjonsfirmaet imec, som var ansvarlig for den endelige produksjonen av enheten. Derfra laget teamet flere design ved hjelp av silisiumskiver og tradisjonell CMOS-geometri.

Standard verktøy

Ingeniørene bestemte seg for flere to-qubit-enheter som benyttet plane metall-oksid-halvledere med polysilisiumporter. Enhetene ble laget med standard halvlederverktøy i et 300 mm støperimiljø. Mer spesifikt inkluderte arkitekturen som ble brukt en dobbel kvanteprikk og en enkeltelektrontransistor (SET), som ga sanntids spinnavlesning.

Det er verdt å merke seg at de fire elektronene i dobbeltprikken som dannes under stempelportelektrodene på enheten, gjør det mulig å kontrollere tunnelkoblingen mellom prikkene og gi støyanalyse. Derfra ble hele enheten plassert i et 3He/4He-fortynningskjøleskap som var satt til en basistemperatur på 10 mK i isolert modus.

Testing av den nye kvantebrikkedesignen

For å teste konstruksjonen utsatte teamet enheten for flere eksperimentelle forhold laget i UNSWs forskningslaboratorium. Det første trinnet var å evaluere brikkens primære qubit-funksjonalitet. Denne testen inkluderte testing av både én- og to-qubit-porter og registrering av feilrater.

Det er verdt å merke seg at teamet benyttet et toppmoderne gate set tomography (GST)-verktøy for å få verdifull innsikt i kvantetilstanden i sanntid. Denne tilnærmingen tillot dem å bestemme interferensfaktorer som krysstale og fordelingen mellom stokastiske og koherente feil.

Etter å ha dokumentert fire design, utførte de kryo-probingmålinger på ytterligere 16 alternativer. Hver brikke hadde en litt forskjellig form og arkitektur, noe som gjorde det mulig for teamet å få innsikt i hvordan designet deres gir jevn elektrostatisk kontroll over enhetens portelektroder.

Resultater av teststudier for storskala kvantebrikker

Testresultatene viste at konseptet var en suksess. Teamet demonstrerte høy ytelse for qubits på 300 mm-waferen ved bruk av tradisjonelle halvlederstøperier. Dataene deres tyder på at brikken fungerte nøyaktig som forutsagt. I både kontrollanlegg med én og to qubits oversteg den 99 % nøyaktighet på tvers av alle fire enhetene.

Resultatene av denne testingen indikerer at Diraqs silisiumkvantebrikke kan masseproduseres med tradisjonelle CMOS-strategier. Denne oppdagelsen åpner døren for storskalaproduksjon av neste generasjons kvantedatamaskiner.

Fordeler med storskala kvantebrikker

Sveip for å bla →

Denne studien gir industrien mange fordeler. For det første ga den verdifull vitenskapelig kunnskap om hvordan man kan overvinne de tekniske begrensningene ved storskala kvantedatamaskinproduksjon. Den demonstrerte også en måte å integrere kvantebrikker i masseproduksjon i fremtiden.

Nøyaktighet

En av de største oppdagelsene er at støpeprosessen ikke reduserte nøyaktigheten eller gjengivelsen av kvantebrikkene. Den viste faktisk at silisiumbaserte kvantebrikker kan opprettholde nøyaktighet i verdensklasse når de lages ved hjelp av toppmoderne spin-qubit-strategier kombinert med feilretting i sanntid.

Massefabrikasjon

Hovedmålet med studien var å demonstrere at silisiumbaserte kvantedatamaskiner kan utnytte den modne halvlederindustrien. Ingeniørene lyktes med dette målet, noe som åpner døren for at disse brikkene kan bli tatt i bruk i stor skala.

Real-World-applikasjoner og tidslinje

Det finnes flere bruksområder for denne studien. For det første vil den bidra til å gi en levedyktig vei videre for storskala produksjon av pålitelige silisiumkvantebrikker. Disse enhetene vil spille en viktig rolle i mange høyteknologiske industrier, inkludert kunstig intelligens, romfart, medisin, klimamodellering og mye mer.

Tidslinje for storskala kvantebrikker

Det vil ta 7–10 år før du kan gå inn i din lokale databutikk og se kvantedrevne enheter til en overkommelig pris. Dette arbeidet baner imidlertid vei for kvantedrevne datamaskiner til en rimelig pris i løpet av det neste tiåret.

Forskere i storskala kvantebrikker

For å gjøre storskala kvantebrikkefabrikasjonsstudien til en suksess, samarbeidet Diraq, som er en nanoteknologisk oppstartsbedrift ved UNSW i Sydney, med det europeiske nanoelektronikkinstituttet Interuniversity Microelectronics Centre (imec). Det er verdt å merke seg at Diraq tidligere hadde avduket en silisiumbrikkedesign som produserte qubits ved hjelp av CMOS-prosessene i laboratoriet deres.

Dette steget inspirerte teamet til å utvikle teknologien videre, noe som muliggjør bruk av storskala fabrikasjonsmetoder. Denne grunnleggende bragden åpner døren for masseproduksjon av silisiumbaserte kvantebrikker som kan brukes i alt fra transport til medisinsk utstyr.

Fremtidige forskningsanvisninger

I en kommentar til planene sine planlegger ingeniørene å undersøke store konfigurasjoner og høyere elektronbelegg. Målet deres er å få en bedre forståelse av den fysiske opprinnelsen til de observerte feilmekanismene og lage modeller som nøyaktig kan forutsi og forhindre disse forekomstene. Hvis dette arbeidet lykkes, vil det gi en klar vei til enda høyere ytelse i sektoren.

Investering i kvantedatamaskiner

Flere utviklere av kvantedatamaskiner opererer globalt. Disse selskapene fortsetter å flytte grensene for databehandling ved å kontinuerlig investere i forskning og utvikling for å redusere fabrikasjonskostnader. Her er et selskap som fortsatt er en pioner i markedet og er anerkjent som en bransjeleder.

Rigetti databehandling

Rigetti Computing kom inn på markedet i 2013. Selskapet er basert i California og ble grunnlagt av fysikeren Chad Rigetti. Rigetti Computings opprinnelige fokus var å lage og vedlikeholde superledende qubits. Denne tilnærmingen inkluderte å lage fullstack superledende kvantesystemer og annen viktig maskinvare.

Det er verdt å merke seg at Rigetti Computing alltid har vært en pionerånd i markedet. For eksempel introduserte de den første kvanteprosessoren i 2016. Denne 3-qubit-brikken åpner døren for fremtidige innovasjoner, inkludert utgivelsen av Forest-kvanteprogrammeringsmiljøet, som bidro til å drive algoritmeutviklingen.

I 2017 ble Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) lansert, noe som muliggjorde tilgang til kraftige kvantebrikker på bedriftsnivå. Denne manøveren ble raskt etterfulgt av åpningen av et nytt støperi i Fremont, California, samme år. Disse manøvrene bidro til å styrke selskapets posisjonering og produksjonskapasitet.

I 2024 demonstrerte Rigetti Computing sine 32-qubit-prosessorer. Denne manøveren ble etterfulgt av et strategisk partnerskap med AWS. Alle disse manøvrene styrket Rigetti Computings markedsposisjonering og forbrukertillit. Som sådan blir det i dag sett på som en utmerket måte å få eksponering mot kvantedatamaskinsektoren.

Siste nytt om BDX (RGTI)-aksjer og -utvikling

Storskala kvantebrikkefabrikasjonsstudie | Konklusjon

Det er så mange grunner til at det å lage kvantebrikker av silisium som kan utnytte den modne halvlederindustrien er en seier for alle. For det første vil det drive kostnadsreduksjoner og videre forskning. Det vil også inspirere til mer teknologisk innovasjon i fremtiden.

Lær om andre kule gjennombrudd innen kvantedatabehandling Her.

Referanser

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, WH, Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, JD, Vahapoglu, E., Bartee, SK, Hudson, FE, Chan, KW, J., Juices, J. Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). Industrikompatible silisium spin-qubit enhetsceller som overstiger 99 % troskap. Natur, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}