Kvantchip nær virkeligheten med skalerbar silisiumdesign

Diraq-forskere avdekket en kommersielt levedyktig høy-fidelitets kvantebit i skala-fabrikasjonmetode som kan revolusjonere datasektoren. Dette beviset på prinsippet bruker tradisjonelle produksjonsprosesser som har blitt brukt i flere tiår for å levere pålitelige, storskalige, feil-tolerante kvantedatamaskinbrikker som beholder maksimal fidelitet. Her er det du trenger å vite.

Etterspørselen etter rimelige kvantedatamaskiner øker

Det er en økende etterspørsel etter kvantedatabehandlingstjenester og spesialister. Ifølge nylige rapporter, har selskaper allerede brukt 2,35 milliarder dollar på kvantedatabehandlingstjenester i fjor. I tillegg har sektoren opplevd en betydelig økning i ansettelser, med LinkedIn-statistikk som viser en 180 % økning i selskaper som søker kvanteprofesjonelle mellom 2020 og 2024.
Det finnes mange grunner til den økende etterspørselen etter kvantedatabehandling. En av dem er militære anvendelser. Over hele verden har militære investert betydelige midler i håp om å oppnå et konkurransefortrinn over sine rivaler.

Kvantbenchmarking-initiativet

USAs Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) arrangerer for tiden Quantum Benchmarking Initiative. Målet med dette prosjektet er å fastslå om kvantedatabrikker kan skaleres og gjøres mer holdbare enn deres nåværende design, som har en skjør kvantetilstand.

For å gjennomføre denne oppgaven er 18 selskaper valgt ut til å konkurrere mot hverandre for å oppnå nytte-skala innen kvantedatabehandlingssektoren. Nytte-skala er et begrep som refererer til kvantedatabehandlingens evne til å løse problemer som langt overgår dagens superdatamaskiner.

Denne oppgaven vil kreve sanntidsfeilkorrigering for å oppfylle høy-fidelitetskravene. Fidelitet refererer til brikkens nøyaktighet. Ingeniører må lage en kvantebrikke som kan lagre og hente massive mengder informasjon samtidig som den pålitelig opprettholder mer enn 100 qubits over den skjøre kvantetilstanden.

Silisiumbaserte kvantebrikker

Det har vært mange ulike typer kvantebrikkedesign som har blitt brukt til å lage kvantehardware. Imidlertid har innføringen av silisiumbaserte kvantebrikker betydelige fordeler.
For det første kan de utnytte milliarder av dollar i infrastruktur og fabrikasjonsstrategier som allerede er etablert for tradisjonelle brikker. I tillegg kan brikkene romme millioner av qubits på én enkelt brikke. Disse qubitene er nøyaktig plassert for å gi effektiv kvantedatabehandling.

Neste steg

Etter å ha erkjent potensialet som silisium spin-qubit-teknologi gir, har ingeniører søkt etter måter å forbedre disse brikkedesignene på. Forskningen deres har inkludert omfattende laboratorietesting. Laboratorieresultatene har vist seg å være nøyaktige. Imidlertid har det hittil ikke blitt gjort noe forsøk på å se om samme nøyaktighetsnivå kan oppnås ved bruk av tradisjonelle industri-skala fabrikasjonsmetoder.

For å gjennomføre denne oppgaven må ingeniørene overvinne flere materialutfordringer. Designet deres må ta hensyn til interferens forårsaket av ladningsstøy og statisk forstyrrelse. Disse problemene oppstår på grunn av defekter og feller ved grensesnitt og oksider som finnes i silisiumbrikkedesign.

Storskala kvantebrikke-fabrikasjonstudie

Den nylige Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹-studien publisert 24. september i Nature, gir verdifull innsikt i avgjørende måleparametere som er ansvarlige for å oppnå skalerbare kvantebrikker.

Den knytter sammen sanntidsovervåkningskapasitet med evnen til å korrigere kvantefeil. Spesielt påpeker den korrelasjoner mellom elektrisk støy og Hall-bar transport. Som en del av arbeidet designet Diraq ny programvare for modellering av brikkedesign.

De samarbeidet med chip-fabrikasjonsselskapet imec, som var ansvarlig for den endelige produksjonen av enheten. Deretter laget teamet flere design ved bruk av silisiumskiver og tradisjonell CMOS-geometri.

Standard verktøy

Ingeniørene valgte flere to-qubit-enheter som benyttet planar metall‑oksid‑semiconductor med polysilikongater. Enhetene ble laget ved bruk av standard halvlederverktøy i et 300 mm foundry-miljø. Spesielt inkluderte arkitekturen en dobbel kvanteprikk og en enkelt‑elektron transistor (SET), som ga sanntids spin‑avlesning.
Merkbart gjør de fire elektronene i den doble prikk som er dannet under plunger‑gate‑elektrodene på enheten det mulig å kontrollere tunnelkoblingen mellom prikkene og utføre støyanalyse. Deretter ble hele enheten plassert i et 3He/4He fortynningskjøleskap som var satt til en basis temperatur på 10 mK i isolert modus.

Testing av det nye kvantebrikkedesignet

For å teste deres konstruksjon utsatte teamet enheten for flere eksperimentelle forhold opprettet i UNSW forskningslab. Første steg var å evaluere brikkens primære qubit-funksjonalitet. Denne testen inkluderte testing av både én‑ og to‑qubit‑porter og registrering av feilrater.

Merkbart brukte teamet et toppmoderne gate set tomography (GST)-verktøy for å få verdifull innsikt i kvantetilstanden i sanntid. Denne tilnærmingen gjorde dem i stand til å bestemme interferensfaktorer som krysstale og oppdelingen mellom stokastiske og koherente feil.

Etter å ha dokumentert fire design, gjennomførte de kryo‑probingsmålinger på ytterligere 16 alternativer. Hver brikke hadde en litt annen form og arkitektur, noe som gjorde det mulig for teamet å få innsikt i hvordan designet deres gir jevn elektrostatiske kontroll over enhetens gate‑elektroder.

Resultater fra test av storskala kvantebrikke-fabrikasjonstudie

Testresultatene viste at konseptet var en suksess. Teamet demonstrerte høy ytelse av qubits på 300 mm skiven ved bruk av tradisjonelle halvlederfoundries. Dataene deres antyder at brikken fungerte akkurat som forutsagt. I både enkelt‑ og to‑qubit‑kontrollmiljøer overgikk den 99 % nøyaktighet på alle fire enheter.
Resultatene fra denne testingen indikerer at Diraq sin silisium‑kvantebrikke kan masseproduseres med suksess ved bruk av tradisjonelle CMOS‑strategier. Denne oppdagelsen åpner døren for storskalaproduksjon av neste generasjons kvantedatabehandlingsenheter.

Fordeler med storskala kvantebrikke-fabrikasjonstudie

Sveip for å rulle →

Det er mange fordeler denne studien gir til industrien. For det første ga den verdifull vitenskapelig kunnskap om hvordan man kan overvinne de tekniske begrensningene i storskalaproduksjonsstrategier for kvantedatabehandling. Den demonstrerte også en måte å integrere kvantebrikker i masseproduksjon i fremtiden.

Nøyaktighet

En av de største oppdagelsene er at foundry‑prosessen ikke reduserte nøyaktigheten eller fideliteten til kvantebrikkene. Den viste faktisk at silisiumbaserte kvantebrikker kan opprettholde verdensklasse nøyaktighet når de lages ved bruk av toppmoderne spin‑qubit‑strategier kombinert med sanntidsfeilkorrigering.

Masseproduksjon

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

Virkelige anvendelser og tidslinje

Det finnes flere anvendelser for denne studien. For det første vil den bidra til å gi en levedyktig vei videre for storskalaproduksjon av pålitelige silisium‑kvantebrikker. Disse enhetene vil spille en viktig rolle i mange høyteknologiske industrier, inkludert AI, romfart, medisin, klimamodellering og mye mer.

Tidslinje for storskala kvantebrikke-fabrikasjonstudie

Det vil ta 7–10 år før du kan gå inn i din lokale databutikk og se kvante‑drevne enheter til en rimelig pris. Imidlertid baner dette arbeidet vei for rimelig prisede kvante‑drevne datamaskiner i neste tiår.

Forskere i storskala kvantebrikke-fabrikasjonstudie

For å gjøre storskala kvantebrikke-fabrikasjonstudien til en suksess, samarbeidet Diraq, som er en UNSW Sydney nano‑tech oppstart, med det europeiske nanoelektronikkinstituttet Interuniversity Microelectronics Centre (imec). Merkverdig hadde Diraq tidligere avdekket et silisiumbrikkedesign som produserte qubits ved bruk av CMOS‑prosesser i deres laboratorium.
Dette trinnet inspirerte teamet til å drive teknologien videre, slik at storskalafabrikasjon kunne tas i bruk. Denne grunnleggende prestasjonen åpner døren for masseproduksjon av silisiumbaserte kvantebrikker som kan brukes i alt fra transport til medisinsk utstyr.

Fremtidige forskningsretninger

Når de kommenterer sine planer, planlegger ingeniørene å foreta ytterligere undersøkelser av store konfigurasjoner og høyere elektronokupasjon. Målet deres er å oppnå bedre forståelse av den fysiske opprinnelsen til de observerte feilmekanismer og lage modeller som nøyaktig kan forutsi og forhindre disse hendelsene. Hvis de lykkes, vil dette arbeidet gi en klar vei til enda høyere ytelse i sektoren.

Investering i kvantedatabehandling

Flere utviklere av kvantedatamaskiner opererer globalt. Disse selskapene fortsetter å presse grensene for databehandling ved kontinuerlig å investere i FoU for å redusere produksjonskostnader. Her er ett selskap som fortsatt har en pionerånd i markedet og er anerkjent som en bransjeleder.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) kom inn på markedet i 2013. Selskapet er basert i California og ble grunnlagt av en fysiker ved navn Chad Rigetti. Rigetti Computings opprinnelige fokus var på å lage og vedlikeholde superledende qubits. Denne tilnærmingen inkluderte å skape full‑stack superledende kvantesystemer og annen viktig maskinvare.
Merkbart har Rigetti Computing alltid vært en pioner i markedet. For eksempel introduserte de den første kvanteprosessoren i 2016. Denne 3‑qubit‑brikken åpner døren for fremtidige innovasjoner, inkludert lanseringen av Forest‑kvanteprogrammeringsmiljøet, som bidro til å drive algoritmeutvikling.

I 2017 lanserte Rigetti Quantum Cloud Services (QCS), som muliggjorde bedriftsnivå tilgang til kraftige kvantebrikker. Dette ble raskt etterfulgt av åpningen av en ny foundry i Fremont, CA, samme år. Disse tiltakene bidro til å styrke selskapets posisjon og produksjonskapasitet.
I 2024 demonstrerte Rigetti Computing sine 32‑qubit‑prosessorer. Dette ble fulgt av et strategisk partnerskap med AWS. Alle disse tiltakene styrket Rigetti Computings markedsposisjon og forbrukertillit. Som sådan blir selskapet i dag sett på som en utmerket måte å få eksponering mot kvantedatabehandlingssektoren.

Siste BDX (RGTI) aksjenyheter og ytelse

Storskala kvantebrikke-fabrikasjonstudie | Konklusjon

Det finnes mange grunner til at å lage silisium‑kvantebrikker som kan utnytte den modne halvlederindustrien er en gevinst for alle. For det første vil det drive kostnadsreduksjon og videre forskning. I tillegg vil det inspirere til mer teknologisk innovasjon i fremtiden.

Lær om andre spennende kvantedatabehandlingsgjennombrudd her.

Referanser

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jusset, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). Industrikompatible silisium spin‑qubit enhetsceller som overstiger 99 % fidelitet. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}