Kvanteregning tar store steg fremover med avansert superledende teknologi

En fremvoksende teknologi, kvanteregning utnytter lovene for kvantemekanismer for å løse komplekse problemer som er utenfor kapasiteten til tradisjonelle datamaskiner. 

Disse kvantedatamaskinene lagrer informasjon i qubits (eller kvantebiter). I motsetning til klassiske biter kan disse qubitene eksistere utover en binær tilstand på 0 og 1 og kan dermed utføre beregninger mye raskere. 

Dessuten, kommer disse qubitene i ulike former, inkludert fangede-ion qubits, som bruker ladede ioner eller atomer; fotoniske qubits, som bruker lyspartikler; og superledende qubits, som er en kretsløp med en elektrisk strøm som flyter rundt dem.

Som en del av ‘solid-state’ kvanteberegning ble superledende qubits først demonstrert i 1999. Siden da har de utviklet seg til en av de viktigste formene for qubit-teknologi, og tilbyr fordeler som redusert energitap, lav motstand, redusert decoherens, skalerbare kvantekretser, høyhastighets qubit-drift, stabile qubit-tilstander, høyfidelitets qubit-kontroll og feilkorrigering.

I løpet av det siste tiåret har superledende kvanteberegning blitt et populært alternativ for å bygge funksjonelle kvantedatamaskiner, og pågående forskning bringer oss nærmere å gjøre dem til virkelighet.

Nylige gjennombrudd innen superledende materialer

Bare denne uken publiserte et team av forskere en studie i Science Advances om utviklingen av et nytt superledende materiale for kvanteberegning.

Det nye superledende materialet er en kandidat for en «topologisk superleder», som er en type som bruker et hull eller en elektrons delokaliserte tilstand for å bære kvanteinformasjon og behandle data.

Fysiker Peng Wei fra University of California ledet et team av forskere som kombinerte trigonal tellurium, et ikke-magnetisk materiale som ikke kan overlagres på sitt speilbilde, med en overflate-tilstand superleder generert på overflaten av en tynn gullfilm.

Denne kombinasjonen skapte en 2D-grensesnitt superleder med forbedret spinpolarisering, som gjør at eksitasjonene potensielt kan brukes til å lage en stabil spin-qubit. Dette banebrytende superledende materialet har potensial til å revolusjonere skalerbarheten og påliteligheten til komponenter for kvanteberegning. 

«Ved å skape et svært rent grensesnitt mellom det kirale materialet og gull, utviklet vi en todimensjonal grensesnitt-superleder. Grensesnitt-superlederen er unik da den eksisterer i et miljø hvor spinnenergien er seks ganger mer forsterket enn i konvensjonelle superledere.»

– Wei, førsteamanuensis i fysikk og astronomi

Under et magnetisk felt ble materialet videre observert å gjennomgå en overgang, noe som antyder bruk som en triplet-superleder, noe som kan føre til mer robuste komponenter for kvanteberegning. Det ble i hovedsak mer robust ved høyt magnetisk felt enn ved lavt magnetisk felt. 

Videre, ved å bruke ikke-magnetiske materialer for renere grensesnitt, undertrykker denne nye teknologien også naturlig kildene til decoherens, som er en utfordring i kvanteberegning.

Forskerne demonstrerte også superlederens evne til å bli laget til høykvalitets lavtap mikrobølges resonatorer, som er kritiske komponenter i kvanteberegning. Som sådan kan dette føre til lavtap superledende qubits. 

Gitt at reduksjon av decoherens eller tap av kvanteinformasjon i et qubit-system er den største utfordringen i kvanteberegning, kan denne forskningen bidra til å utvikle mer skalerbare og pålitelige komponenter for kvanteberegning. Ifølge Wei:

«Vi oppnådde dette ved å bruke materialer som er en størrelsesorden tynnere enn de som vanligvis brukes i kvanteberegningsindustrien.»

Disse mikrobølges resonatorene har en kvalitetsfaktor som når 1 million.

En uke før dette publiserte et UCLA-ledet team også en studie som presenterte et nytt materiale som viser lovende for kvanteberegning. 

Materialet beholdt sine superledende egenskaper under mye høyere enn vanlige magnetfelt og viste superledende diodeeffekt. Denne effekten, som tillater mer strøm å flyte i én retning, ses vanligvis i kirale superledere og er sjelden i tradisjonelle superledere.

For å indusere den kirale oppførselen i en konvensjonell superleder, skapte forskerne et kiralt molekylært lag og en lagdelt struktur med 2D-materialet tantalumdisulfid (TaS2).

Denne studien viste potensialet for å forbedre effektiviteten og stabiliteten til kvanteberegning og gjøre konvensjonell elektronikk raskere og mer energieffektiv.

Innovasjoner innen qubit-kontroll og skalerbarhet

Med kvantedatamaskiner som har evnen til å «drastisk endre verden», har det vært et verdensomspennende kappløp for å bygge en praktisk kvantedatamaskin.

Imidlertid er en av de største utfordringene som hindrer veksten av kvantedatamaskiner skalerbarhet, som betyr at store nok maskiner kan takle virkelige problemer. For å ha en kvantedatamaskin som kan takle nyttige problemer, trenger vi enten flere qubits eller en pålitelig måte å redusere feil som introduseres under beregninger.

Dermed tok forskere i Japan tak i problemet ved å øke antallet håndterbare qubits og redusere antallet nødvendige qubits.

For noen måneder siden demonstrerte forskerne vellykket en superledende krets som kan kontrollere mange qubits ved lave temperaturer.

I dette eksperimentet ble en superledende krets vist til å kontrollere flere qubits gjennom kun én kabel ved bruk av mikrobølge-multiplexing. Kretsen har potensial til å forbedre tettheten av mikrobølgesignaler per kabel med omtrent 1 000 ganger. Denne prestasjonen kan betydelig øke antallet kontrollerbare qubits og bidra til utviklingen av storskala kvantedatamaskiner.

For å redusere maskinvaren som kreves for å gå mellom qubits og romtemperaturselektronikk, ble en innovativ ‘kryo-elektronikk’ utviklet. ‘Kryo-elektronikk’ er elektronikk for qubit-kontroll og avlesning som opererer ved kryogene temperaturer nær qubitene. 

Kryo-elektronikk har også blitt demonstrert å fungere ved høye klokkehastigheter fire grader over absolutt null. Nå er fokuset på å redusere energiforbruket for å minimere varmen som genereres ved siden av qubitene.

Et annet fokus for japanske forskere er å finne måter å korrigere behandlingsfeil på. I denne sammenhengen utviklet forskere fra Princeton University en fremstillingsteknikk for feilfri kvanteberegning.

I denne forskningen skapte forskere et superledende lag på toppen av en topologisk isolator, wolframditellurid (WTe2). Teknikken brukte et ‘frø’ av avsatt metall (palladium) over overflaten av isolatoren for å danne en ny krystallstruktur, Pd7WTe2, som viste null motstand.

Atom-spredningsteknikken fungerer vellykket med en rekke materialer, inkludert molybden ditellurid (MoTe2).

Selv om ytterligere tester er nødvendige for å fastslå om det er en topologisk superleder, tror forskerne at nye superledere kan skapes gjennom deres generelle metode.

Håndtering av decoherens og forbedring av ytelse

Et annet gjennombrudd i kvanteberegning kom tidligere i år da forskere introduserte en ny tilnærming til superledende kretser. Denne tilnærmingen har potensial til å betydelig forlenge kjøretiden til en kvantedatamaskin.

Som vi har påpekt, blir den kontinuerlige driften av en slik datamaskin avbrutt på grunn av hvor lett kvantetilstanden til en qubit kan destabiliseres. Dette kalles decoherens og fører til feil i beregninger. Dette skjer på grunn av interaksjoner med andre qubits og deres miljø.

Og fordi superledende qubits gjør det mulig å bytte mellom ulike tilstander på kortest mulig tid, er de i fokus for økende forskning. Men selv om de kan forbedre byttetiden, er de også mer utsatt for decoherens på så kort tid som millisekunder.

Dermed foreslo en internasjonal gruppe forskere et Josephson-kryssdesign, kalt «flowermon». Dette designet bruker to en-atoms tykke cupratflak, et superledende materiale basert på kobber.

«Flowermon moderniserer den gamle ideen om å bruke ukonvensjonelle superledere for beskyttede kvantekretser og kombinerer den med nye fremstillingsteknikker og en ny forståelse av superledende kretskoherens.»

– Uri Vool, fysiker ved Max Planck Institutt for Kjemisk Fysikk av Faststoffer i Tyskland

Ifølge teamets beregninger kan deres design redusere støy og dermed øke koherenstiden til qubits med størrelsesordener. Imidlertid var det kun teoretisk, og teamet planlegger å bruke resultatene til å optimalisere superledende qubits neste.

For å takle ytelsen til kvantedatamaskiner utviklet et team av forskere fra University of Minnesota Twin Cities i fjor også en justerbar superledende diode som ikke bare kan hjelpe med å skalere opp kvantedatamaskiner, men også forbedre kunstige intelligenssystemer. 

En diode er en enhet som tillater strømflyt i én retning. Selv om den vanligvis lages med halvledere, har forskere utforsket å lage dioder med superledere, som tillater energioverføring uten tap av kraft underveis.

Den seniorforskerforfatteren Vlad Pribiag, som er førsteamanuensis ved University of Minnesota School of Physics andAstronomi, bemerket:

«Vi ønsker å gjøre datamaskiner kraftigere, men det finnes noen harde grenser vi snart vil nå med våre nåværende materialer og fremstillingsmetoder.» 

Den største utfordringen for å øke datakraften er å disipere energi, så teamet valgte å bruke superledende teknologier.

Den superledende diodeenheten ble bygget ved bruk av tre Josephson-kryss. Selv om den ble laget ved å sandwiche biter av ikke-superledende materiale i midten av superledere, hadde forskerne her superlederne koblet med lag av halvledere. 

Dette unike designet tillot forskerne å kontrollere enhetens oppførsel ved hjelp av spenning. Den kan også behandle flere elektriske signaler samtidig, i motsetning til vanlige dioder, som kun kan håndtere én inngang og én utgang hver. Disse egenskapene kan føre til at den superledende dioden brukes i hjerneinspirert nevromorfisk beregning.

I nevromorfisk beregning er elektriske kretser designet for å kopiere hvordan nevroner fungerer i den menneskelige hjerne for å forbedre ytelsen.

Ifølge Mohit Gupta, papirens første forfatter, er denne nye superledende dioden mer energieffektiv enn andre superledende dioder. Mer spesifikt, for første gang, kommer den med en rekke porter for å kontrollere energiflyten. Denne funksjonen har ikke blitt innarbeidet i en superleder-diode før, men denne studien har «vist at du kan legge til porter og anvende elektriske felt for å justere denne effekten.» 

Videre var materialet som ble brukt i denne forskningen mer industrivennlig og i stand til å levere nye funksjonaliteter.

Teknikken som ble brukt i denne studien kan videre bli utnyttet med enhver superleder, noe som gjør den svært fleksibel og kompatibel med industrielle anvendelser. Disse egenskapene kan bidra til å skalere opp utviklingen av kvantedatamaskiner for bredere bruk.

«Akkurat nå er alle kvantedatamaskiner der ute svært grunnleggende i forhold til behovene i virkelige applikasjoner. Å skalere opp er nødvendig for å ha en datamaskin som er kraftig nok til å takle nyttige, komplekse problemer.»

– Pribiag

Dette har spesiell betydning i dag ettersom AI-bruken vokser betydelig. Dette har ført til at folk forsker på algoritmer for datamaskiner eller AI-maskiner som kan overgå klassiske datamaskiners ytelse. Denne studien, bemerket Pribiag, utvikler maskinvaren som gjør det mulig for kvantedatamaskiner å implementere disse algoritmene. 

Forskningen ble hovedsakelig finansiert av United States Department of Energy med delvis støtte fra National Science Foundation og Microsoft Research.

Krymping av qubits med 2D-materialer uten å påvirke ytelsen

Fortsettende forskning og utvikling har ført til at forskere bygger superledende qubits som er langt mindre enn vanlige qubits. Disse superledende qubitene ble bygget ved bruk av 2D-materialer.

For å overgå hastigheten og kapasiteten til klassiske datamaskiner, må kvantedatamaskinens qubits være på samme bølgelengde. For å oppnå dette må forskere vanligvis ofre størrelsen på disse qubitene, som selv i dag måles i millimeter, i motsetning til deres klassiske motparter, hvis transistorer har krympet til nanometer.

For å redusere størrelsen på qubits slik at de ikke har et stort fysisk fotavtrykk samtidig som de opprettholder ytelsen, viste James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknikk ved Columbia University, en svært liten superledende qubit-kondensator.

Tidligere brukte ingeniører planare kondensatorer for å bygge qubit-brikker. Her er ladede plater plassert side ved side, og mens de kan stables for å spare plass, ville det forstyrre lagringen av qubit-informasjon.

Dermed sandwichede Hone sine PhD-studenter Anjaly Rajendra og Abhinandan Antony et isolerende lag av boronitrid mellom to ladede plater av superledende niobiumdiselenid. Bare én atomtykk, holdes disse lagene sammen av van-der-Waals-krefter, en svak interaksjon mellom elektrostatiske krefter. 

Kondensatorene ble deretter kombinert med aluminiumskretser for å lage en brikke. Denne brikken hadde to qubits og var kun 35 nanometer tykk, 1 000 ganger mindre enn de som produseres med konvensjonelle metoder.

Når de ble avkjølt, fikk qubitene samme bølgelengde. De ble også observert å bli sammenfiltrede og oppføre seg som en enkelt enhet. Denne kvantekoherensen, selv om den kun er kortvarig (litt over ett mikrosekund), betyr at kvantetilstanden til qubit kan manipuleres og leses av via elektriske pulser. Ifølge Hone:

«Vi vet nå at 2D-materialer kan holde nøkkelen til å gjøre kvantedatamaskiner mulige. Det er fortsatt svært tidlig, men funn som disse vil oppmuntre forskere over hele verden til å vurdere nye anvendelser av 2D-materialer. Vi håper å se mye mer arbeid i denne retningen fremover.»

Takket være deres unike struktur har todimensjonale (2D) kvantematerialer markert et betydelig gjennombrudd innen materialvitenskap. I motsetning til 3D-materialer er 2D kvantematerialer kun én eller noen få atomer tykke, og elektroner kan bevege seg i alle tre retninger.

Noen populære 2D-materialer inkluderer Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, overgangsmetall-dikalkogenider (TMDCs), og heksagonal boronitrid (h-BN).

Selv om disse materialene tilbyr ulike egenskaper og potensial for transformative teknologiske anvendelser, møter de utfordringer når det gjelder syntese, integrasjon og skalerbarhet som må overvinnes før deres fulle potensial kan realiseres.

Viktige selskaper som leder revolusjonen innen kvanteberegning

La oss nå se på noen fremtredende selskaper som er involvert i superledere og kvanteberegning:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet er sterkt investert i forskning på kvanteberegning gjennom sitt datterselskap Google Quantum AI. Divisjonen har laget en superledende kvanteprosessor kalt Sycamore, som i 2019, var i stand til å fullføre en beregning på 200 sekunder som ellers ville ha tatt 10 000 år for selv en kraftig superdatamaskin. Siden da har Sycamore kvanteprosessoren vokst betydelig og har nå 70 qubits, noe som gjør den 241 millioner ganger mer robust enn sin tidligere modell.

Tekngiganten har en markedsverdi på $2,06 billioner, og aksjene (GOOGL:NASDAQ) handles til $165,68, opp 18,56% år‑til‑dato. For Q2 2024 rapporterte Alphabet en økning på 28,6% i nettoinntekten til $23,6 milliarder, mens total omsetning vokste 14% til $84,74 milliarder. Google‑morselskapet kunngjorde også et kontantutbytte på $0,20 per aksje.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA har utforsket kvanteberegning og superledere gjennom partnerskap og samarbeid. I mars i år kunngjorde selskapet en akselerasjon av sine kvanteberegningsinnsatser ved nasjonale superdatamaskinsentre i Tyskland, Japan og Polen med den åpne kildekodeplattformen NVIDIA CUDA-Q™.

AI-favoritten på markedet, NVIDIA-aksjene har hatt en flott periode i år, som vist av deres 161,24% økning i 2024 så langt. Denne oppgangen har NVDA-aksjene handlet til $129,45, og gir selskapets markedsverdi $3,188 billioner. Chipprodusenten rapporterte en rekord for Q1 2024, med en omsetning på $22,1 milliarder.

Konklusjon

Så forskere, organisasjoner og selskaper over hele verden arbeider med å fremme kvanteberegning, som utmerker seg i komplekse problemløsninger. Fokus på superledende teknologi, spesielt, bidrar til betydelig fremgang og bringer oss nærmere å realisere dette transformative teknologiens fulle potensial. 

Klikk her for å lære om den nåværende tilstanden til kvanteberegning.