Databehandling
Kvantecomputing tar et stort skritt fremover med avansert superledningsteknologi
En ny teknologi, kvantecomputing, utnytter kvantemekanikkens lover for å løse komplekse problemer som ligger utenfor kapasiteten til tradisjonelle datamaskiner.
Disse kvantecomputerne lagrer informasjon i qubits (eller kvantebiter). I motsetning til klassiske biter, kan disse qubits eksistere utenfor en binær tilstand av 0 og 1, og kan derfor utføre beregninger mye raskere.
Videre, disse qubits kommer i forskjellige former, inkludert fanget-ion-qubits, som bruker ladde ioner eller atomer; fotoniske qubits, som bruker lyspartikler; og superledende qubits, som er en kretsloop med en elektrisk strøm som går rundt dem.
En del av ‘faststoff’ kvanteberegning, superledende qubits ble først demonstrert i 1999. Siden da har de utviklet seg til å bli en av de primære formene for qubit-teknologi, og tilbyr fordeler som redusert energitap, lav motstand, redusert dekoherens, skalerbare kvantekretser, høyhastighets qubit-operasjon, stabile qubit-tilstander, høytro qubit-kontroll og feilkorreksjon.
Over de siste ti årene har superledende kvanteberegning blitt en populær valgmulighet for å bygge funksjonelle kvantecomputere, og pågående forskning bringer oss nærmere å gjøre dem til virkelighet.
Nye gjennombrudd i superledermaterialer
For bare en uke siden, publiserte et team av forskere en studie i Science Advances om utviklingen av et nytt superledermateriale for kvanteberegning.
Det nye superledermaterialet er en kandidat for en “topologisk superleder”, som er en type som bruker et hull eller en elektrons delokaliserte tilstand for å bære kvantinformasjon og prosessere data.
Fysiker Peng Wei fra University of California ledet et team av forskere som kombinerte trigonal tellurium, et ikke-magnetisk materiale som ikke kan overlappes på sin speilbild, med en overflate-tilstand superleder generert på overflaten av en tynn film av gull.
Denne kombinasjonen skapte en 2D-grensesnitt superleder med forbedret spin-polarisering, som tillater eksitasjonene å potensielt bli brukt til å skape en stabil spin-qubit. Dette banebrytende superledermaterialet har potensialet til å revolusjonere skalerbarheten og påliteligheten til kvanteberegningskomponenter.
“Ved å skape et svært rent grensesnitt mellom det kiral materialet og gull, utviklet vi en to-dimensjonal grensesnitt superleder. Grensesnitt superlederen er unik fordi den eksisterer i en omgivelse hvor energien til spinn er seks ganger mer forbedret enn de i konvensjonelle superledere.”
– Wei, en assosiert professor i fysikk og astronomi
Under et magnetfelt, var materialet videre sett å gjøre en overgang, som antyder dens bruk som en triplet superleder, som kunne føre til mer robuste kvanteberegningkomponenter. Det ble egentlig mer robust ved et høyt magnetfelt enn ved et lavt magnetfelt.
Videre, ved å bruke ikke-magnetiske materialer for renere grensesnitt, undertrykker denne nye teknologien også naturlig kilder til dekoherens, som er en utfordring i kvanteberegning.
Forskerne demonstrerte også superlederens evne til å bli laget til toppkvalitets lavtap mikrobølge-resonatorer, som er kritiske komponenter i kvanteberegning. Som sådan kan dette føre til lavtap superledende qubits.
Gitt at reduksjon av dekoherens eller tap av kvantinformasjon i et qubit-system er den største utfordringen i kvanteberegning, kan denne forskningen hjelpe med å utvikle mer skalerbare og pålitelige kvanteberegningkomponenter. Ifølge Wei:
“Vi oppnådde dette ved å bruke materialer som er en orden av størrelse tynnere enn de som vanligvis brukes i kvanteberegningindustrien.”
Disse mikrobølge-resonatorene har en kvalitetsfaktor på 1 million.
En uke før dette, publiserte et UCLA-ledet team også en studie som presenterer et nytt materiale som viser løfte for kvanteberegning.
Materialet beholdt sine superledende egenskaper under mye høyere enn vanlig magnetfelt og viste superleder-diode-effekten. Denne effekten, som tillater mer strøm å flyte i én retning, ses vanligvis i kiral superledere og ses sjeldent i konvensjonelle superledere.
For å indusere kiral atferd i en konvensjonell superleder, skapte forskerne en kiral molekylær lag og en lagd struktur med 2D-materialet tantal disulfid (TaS2).
Denne studien viste potensialet for å forbedre effektiviteten og stabiliteten til kvanteberegning og gjøre konvensjonell elektronikk raskere og mer energi-effektiv.
Innovasjoner i qubit-kontroll og skalerbarhet
Med kvantecomputere som har evnen til å “drastisk endre verden”, har det vært en kappløp verden over for å bygge en praktisk kvantecomputer.
Men, en av de største utfordringene som hindrer veksten av kvantecomputere er skalerbarhet, som betyr at store nok datamaskiner kan takle virkelige problemer. For å ha en kvantecomputer som kan takle nyttige problemer, trenger vi enten flere qubits eller en pålitelig måte å redusere feil under beregninger.
Så, forskere i Japan tok til å takle problemet ved å øke det håndterbare antallet qubits og redusere det nødvendige antallet qubits.
For noen måneder siden, demonstrerte forskerne suksessfullt en superledende krets som kan kontrollere mange qubits ved lave temperaturer.
I dette eksperimentet, ble en superledende krets vist å kontrollere multiple qubits gjennom bare én kabel ved å bruke mikrobølge-multiplexing. Kretsen har potensialet til å forbedre tettheten av mikrobølgesignaler per kabel med omtrent 1 000 ganger. Dette kan substansielt øke antallet kontrollerbare qubits og bidra til utviklingen av store kvantecomputere.
For å kutte ned hårdwaren som trengs for å gå i midten av qubits og rom-temperatur elektronikk, ble en innovativ ‘cryo-elektronikk’ utviklet. ‘Cryo-elektronikk’ er elektronikk for qubit-kontroll og lesing som opererer ved kryogene temperaturer nær qubitene.
Cryo-elektronikk har også vært demonstrert å fungere ved høye hastigheter ved fire grader over absolutt null. Nå er fokus på å redusere energiforbruk for å minimere varmen som genereres nær qubitene.
Enda en fokus for japanske forskere er å finne måter å korrigere prosesseringsfeil. Midt i dette, utviklet forskere fra Princeton University en fabrikasjonsmetode for feilfri kvanteberegning.
I denne forskningen, skapte vitenskapsmenn en superledende lag på toppen av en topologisk isolator, wolfram ditellurid (WTe2). Metoden brukte en ‘frø’ av deponert metall (palladium) over overflaten av isolatoren for å danne en ny krystallinsk struktur, Pd7WTe2, som viste null resistans.
Atom-spreningsteknikken fungerte suksessfullt med en rekke ingredienser, inkludert molybdenum ditellurid (MoTe2).
Selv om videre tester er nødvendige for å bestemme om det er en topologisk superleder, tror forskerne at nye superledere kan skapes gjennom deres generelle metode.
Å løse dekoherens og forbedre ytelse
En annen gjennombrudd i kvanteberegning kom tidligere i år når forskere innførte en ny tilnærming til superledende kretser. Denne tilnærmingen har potensialet til å betydelig utvide driftstiden til en kvantecomputer.
Som vi har notert, blir den kontinuerlige driften av en slik datamaskin avbrutt på grunn av hvor lett den kvantemekaniske tilstanden til en qubit kan destabiliseres. Dette kalles dekoherens og fører til feil i beregninger. Dette skjer på grunn av interaksjoner med andre qubits og deres omgivelse.
Og fordi superledende qubits muliggjør switching mellom forskjellige tilstander i den korteste tiden, er de fokus for økende forskning. Men mens de kan forbedre switching-tiden, er de også mer utsatt for dekoherens i så kort tid som millisekunder.
Så, et internasjonalt team av forskere foreslo en Josephson-kobling-design, som kalles “flowermon”. Denne designen bruker to ett-atom-tykke kuprat-flak, et superledende materiale basert på koppar.
“Flowermon moderniserer den gamle ideen om å bruke uvanlige superledere for beskyttede kvantekretser og kombinerer det med nye fabrikasjonsmetoder og en ny forståelse av superledende krets-kohærens.”
– Uri Vool, en fysiker ved Max Planck-instituttet for kjemisk fysikk av faste stoffer i Tyskland
Ifølge teamets beregninger, kan deres design redusere støy og, i tur, øke kohærens-tiden til qubits med flere størrelsesordener. Men, det var rent teoretisk, og teamet planlegger å bruke resultater til å optimalisere superledende qubits neste.
For å tackle ytelsen til kvantecomputere, utviklet et team av forskere fra University of Minnesota Twin Cities også en justerbar superledende diode som ikke bare kan hjelpe med å skalerer opp kvantecomputere, men også forbedre kunstig intelligens-systemer.
En diode er en enhet som tillater strøm å flyte i én retning. Mens de vanligvis er laget med halvledere, har forskere vært opptatt av å lage dioder med superledere, som tillater energioverføring uten å tape noen kraft underveis.
Den senior forskningsforfatteren, Vlad Pribiag, som er en assosiert professor ved University of Minnesota School of Physics and Astronomy, noterte:
“Vi ønsker å gjøre datamaskinene mer kraftfulle, men det er noen harde grenser vi kommer til å nå snart med våre nåværende materialer og fabrikasjonsmetoder.”
Den største utfordringen til å forbedre datamaskinens kraft er å dissipere energi, så teamet valgte å bruke superledende teknologier.
Den superledende diodenheten ble laget ved å bruke tre Josephson-koblinger. Mens de vanligvis er laget ved å sandwich non-superledende materialer i midten av superledere, hadde forskerne her superlederne koblet til lag av halvledere.
Denne unike designen tillot forskerne å kontrollere enhetens atferd ved å bruke spenning. Den kan også prosessere flere elektriske signaler samtidig, i motsetning til vanlige dioder, som bare kan håndtere ett inn- og utgangssignal hver. Disse egenskapene kan se den superledende dioden bli brukt i hjern-inspirert neuromorfisk beregning.
I neuromorfisk beregning, er elektriske kretser designet for å kopiere hvordan nevroner fungerer i menneskehjernen for å forbedre ytelsen.
Ifølge Mohit Gupta, den første forfatteren av artikkelen, er denne nye superledende dioden mer energi-effektiv enn andre superledende dioder. Mer spesifikt, for første gang, kommer den med en serie porter for å kontrollere energiflommen. Denne funksjonen har ikke vært inkorporert i en superledende diode før, men denne studien har “vist at du kan legge til porter og bruke elektriske felt for å justere denne effekten.”
Videre, var materialet brukt i denne forskningen mer industrien-vennlig og i stand til å levere nye funksjoner.
Teknikken brukt i denne studien kan videre brukes med noen superleder, som gjør den svært fleksibel og kompatibel med industrikapplikasjoner. Disse egenskapene kan hjelpe med å skalerer opp utviklingen av kvantecomputere for videre bruk.
“Nå, alle kvantecomputermaskinene der ute er svært grunnleggende i forhold til behovene til virkelige applikasjoner. Skalering opp er nødvendig for å ha en datamaskin som er kraftfulle nok til å takle nyttige, komplekse problemer.”
– Pribiag
Dette har spesiell betydning i dag, da bruken av kunstig intelligens øker betraktelig. Dette har ført til at folk forsker på algoritmer for datamaskiner eller kunstig intelligens-maskiner som kan overgå klassiske datamaskiners ytelse. Denne studien, Pribiag noterte, utvikler hårdwaren for å muliggjøre kvantecomputere å implementere disse algoritmene.
Forskningen ble finansiert primært av United States Department of Energy med delvis støtte fra National Science Foundation og Microsoft Research.
Kvantebiter som krympes med 2D-materialer uten å påvirke ytelse
Fortsettende forskning og utvikling har ført til at forskere bygger superledende qubits som er mye mindre enn vanlige qubits. Disse superledende qubits ble bygget ved å bruke 2D-materialer.
For å overgå hastigheten og kapasiteten til klassiske datamaskiner, må qubits i kvantecomputere være på samme bølgelengde. For å oppnå dette, må forskerne ofte ofre størrelsen på disse qubits, som selv i dag måles i millimeter, i motsetning til deres klassiske motparter, hvis transistorer har blitt skalert ned til nanometer.
For å redusere størrelsen på qubits så de ikke har en stor fysisk fotavtrykk, samtidig som de beholder ytelsen, viste James Hone, en Wang Fong-Jen Professor i mekanisk ingeniørvitenskap ved Columbia University, en svært liten superledende qubit-kondensator.
Tidligere brukte ingeniører planare kondensatorer for å bygge qubit-chip. Her, er ladde plater satt side ved side, og mens de kan være stablet for å spare plass, ville det interferere med qubit-informasjonslagring.
Så, Hones PhD-studenter Anjaly Rajendra og Abhinandan Antony sandwichet en isolerende lag av boron nitrid mellom to ladde plater av superledende niobium diselenid. Bare ett atom tykt, er disse lagene holdt sammen av van der Waals-krefter, en svak interaksjon mellom elektrostatisk krefter.
Kondensatorene ble deretter kombinert med aluminiumskretser for å skape en chip. Denne chippen hadde to qubits og var bare 35 nanometer tykk, 1 000 ganger mindre enn de produsert ved å bruke konvensjonelle metoder.
Når den ble avkjølt, fikk qubits samme bølgelengde. De ble også observert å bli sammenflettet og fungere som en enkelt enhet. Denne kvantekohæren, selv om bare kortvarig (lite over en mikrosekund), betyr at den kvantemekaniske tilstanden til qubit kan manipuleres og leses ut via elektriske pulser. Ifølge Hone:
“Vi vet nå at 2D-materialer kan holde nøkkel til å gjøre kvantecomputere mulig. Det er fortsatt svært tidlig, men funn som disse vil spre forskere verden over til å vurdere nye anvendelser av 2D-materialer. Vi håper å se mye mer arbeid i denne retningen gående fremover.”
Takket være deres unike struktur, har to-dimensjonale (2D) kvantematerialer markert et betydelig gjennombrudd i materialvitenskap. I motsetning til 3D-materialer, er 2D kvantematerialer bare ett eller noen få atomer tykke, og elektroner kan bevege seg i alle tre retninger.
Noen populære 2D-materialer inkluderer Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs) og Hexagonal Boron Nitride (h-BN).
Selv om disse materialene tilbyr diverse egenskaper og potensiale for transformasjonelle teknologiske anvendelser, står de overfor utfordringer når det gjelder syntese, integrasjon og skalerbarhet som må overvinnes før deres fulle potensiale kan realiseres.
Nøkkelbedrifter som leder kvanteberegning-revolusjonen
Nå, la oss se på noen fremtredende bedrifter som er involvert i superledere og kvanteberegning:
#1. Alphabet (Google)
Alphabet er tungt investert i kvanteberegning-forskning gjennom dets datterselskap Google Quantum AI. Avdelingen har skapt en superledende kvanteprosessor kalt Sycamore, som, tilbake i 2019, var i stand til å fullføre en beregning på 200 sekunder som ellers ville ha tatt 10 000 år for selv en kraftfulle superdatamaskin. Siden da har Sycamore kvanteprosessoren vokst betraktelig og har nå 70 qubits, noe som gjør den 241 millioner ganger mer robust enn dens tidligere modell.
(GOOGL )
Teknologigiganten har en markedskapitalisering på 2,06 billioner dollar, og aksjene (GOOGL:NASDAQ) handles til 165,68 dollar, opp 18,56 % siden årsskiftet. For Q2 2024, rapporterte Alphabet en økning i nettoinntekten på 28,6 % til 23,6 milliarder dollar, mens total omsetning økte 14 % til 84,74 milliarder dollar. Google-foreldre selskapet annonserte også en kontantdividend på 0,20 dollar per aksje.
#2. NVIDIA Corporation
NVIDIA har vært opptatt av å utforske kvanteberegning og superledere gjennom partnerskap og samarbeid. I mars i år, annonserte selskapet akselerasjonen av sine kvanteberegning-innsats ved nasjonale superdatamaskin-steder i Tyskland, Japan og Polen med åpne kilde NVIDIA CUDA-Q™-plattformen.
(NVDA )
AI-elskeren i markedet, NVIDIA-aksjene har hatt en fantastisk tid i år, som kan sees i deres 161,24 % økning i 2024 så langt. Denne oppsiden har NVDA-aksjene handlet til 129,45 dollar, noe som setter selskapets markedskapitalisering til 3,188 billioner dollar. Chip-produsenten rapporterte en rekord Q1 i 2024, med en omsetning på 22,1 milliarder dollar.
Konklusjon
Så, forskere, organisasjoner og bedrifter verden over arbeider med å fremme kvanteberegning, som excellerer i kompleks problem-løsning. Fokuset på superledende teknologi, spesielt, hjelper med å drive betydelig fremgang og bringer oss nærmere å realisere denne transformasjonelle teknologiens fulle potensiale.
Klikk her for å lære om den nåværende tilstanden til kvanteberegning.
