Databehandling
Millisekund-qubits markerer et gjennombrudd innen kvanteteknologi
Gjennombrudd innen superledende qubits på millisekundskala
Kvantedatamaskiner kan revolusjonere hvordan vi utfører kryptografi, beregner komplekse simuleringer som proteiners 3D-konfigurasjon, og sannsynligvis ha mange flere bruksområder vi knapt gjetter på i dag.
For å fungere trenger de så stabile «qubits» som mulig, det grunnleggende elementet i kvanteberegning. Så langt har bare kvantedatamaskiner med «fangede ioner» klart å generere svært stabile qubits. Men denne teknologien er iboende vanskeligere å skalere opp enn superledende qubits.
Så selv om superledende qubits kan være fremtiden for denne teknologien, er det nødvendig med en forbedring i stabiliteten til qubitenes koherenstid.
Dette er nettopp hva et stort team av forskere ved Princeton University nettopp har oppnådd. De har laget en type superledende qubits som kan holde koherens i mer enn et millisekund, tre ganger lenger enn de beste som noen gang er registrert.
De publiserte funnene sine i Nature1, under tittelen "Millisekunders levetid og koherenstider i 2D transmon-qubits".
Qubit-koherensgrensen
For å utføre kvanteberegninger må en kvantedatamaskin opprettholde «koherens», en spesiell kvantetilstand som er ekstremt sårbar for interferens fra omgivelsene. Generelt sett har termisk støy og partikkelbevegelse en tendens til å ødelegge koherens i løpet av nanosekunder.
Under spesielle forhold, som ultrakalde forhold, kan en qubits levetid vare lenger. Likevel er lang nok koherens en stor begrensning for de fleste kvantedatamaskiner i dag, noe som fører til beregningsfeil som ikke bare reduserer den totale beregningskapasiteten, men som heller ikke lett kan kompenseres med programvareoppgraderinger.
Så å bestemme hvilket materiale som er i stand til å opprettholde koherens lenger er et viktig skritt fremover som må tas før kvantedatamaskinindustrien når det kommersielle stadiet.
«Den virkelige utfordringen, det som hindrer oss i å ha nyttige kvantedatamaskiner i dag, er at når man bygger en qubit, varer ikke informasjonen særlig lenge.»
Dette er det neste store spranget fremover.»
Hvordan forskere utvidet Transmon Qubit-koherens
Forskerne brukte den samme typen superledende qubits som brukes av firmaer som Google eller IBM i sine egne kvantedatamaskiner, tløsepenge-qubits.
Transmon-qubits har fordelen av å være høykvalitets (enkelt-qubit-gate-fideliteter som overstiger 99.9 %), mulige å produsere i stor skala, og med høye koherenstider på 0.1 millisekunder.
Dette er lovende, men koherenstiden er fortsatt for lav.
Så når Princeton-forskerne annonserte at de klarte å lage en qubit som varer i gjennomsnitt 1.68 ms, er dette en enorm forbedring.
kilde: Natur
Dette er en qubit-varighet som er tre ganger lengre enn den beste som noen gang er laget i et laboratorium, og 15 ganger sterkere enn den som brukes av private selskaper som utvikler kvantedatamaskiner.
Hvorfor tantal og silisium forbedrer kvantekoherens
Tantal som øker koherensen
For å oppnå dette resultatet brukte forskerne to forskjellige forbedringer i materialet som ble brukt.
Først brukte de et metall kalt tantal som et basislag for å hjelpe de skjøre kretsene med å bevare energi. Dette er fordi små, skjulte overflatedefekter i metallet kan fange og absorbere energi når det beveger seg.
Det er spesielt problematisk etter hvert som flere qubits legges til en brikke, denne typen feil multipliseres til det punktet at den blir ubrukelig etter et visst tall.
Skanningstransmisjonselektronmikroskopi (STEM) ble brukt for å bekrefte den svært regelmessige strukturen til kubiske tantalkrystaller.
kilde: Natur
Sammenlignet med metaller som aluminium har tantal mye færre defekter, og er svært motstandsdyktig mot harde rengjøringsprosesser som brukes til å fjerne urenheter.
«Du kan tilsette tantal i syre, og egenskapene endres fortsatt ikke.»
Å dyrke tantal direkte på silisium var en utfordring som krevde omfattende innsats å overvinne.
Sveip for å bla →
| Qubit-materiale | Substrat | Gjennomsnittlig koherenstid | Defekttetthet | Enkel fremstilling |
|---|---|---|---|---|
| Aluminum | Safir | 0.1 ms | Høyt | Medium |
| tantal | Høyresistiv silisium | 1.68 ms | Lav | Høy (halvlederkompatibel) |
Silisium som erstatter safir
En annen kilde til energitap som fører til tap av koherens er safirsubstratet som brukes i kvantebrikker.
I stedet brukte forskerne silisium av høy kvalitet (med høy resistivitet), et vanlig standardmateriale i den tradisjonelle dataindustrien.
Sammen førte disse forbedringene i materialene som ble brukt i denne tantal-på-silisium-plattformen til at de resulterende enkelt-qubit-portene oppnådde 99.994 % gjengivelseskvalitet.
Fra gjennombrudd i laboratoriet til skalerbare kvantebrikker
Forskerne fortsatte med å bruke metoden sin til å bygge en fullt fungerende kvantebrikke som overgår alle tidligere design.
Fordi feilraten er multiplikativ, skaleres denne typen forbedring eksponentielt med systemstørrelsen. Som et resultat har 10–15x forbedringen i feilraten for individuelle qubits en mye større effekt på en datamaskin med flere qubits.
Det er viktig å merke seg at en slik qubit ikke er et eksotisk nytt konsept, men rett og slett en «tradisjonell» superledende qubit som bruker et annet materiale, slik at de enkelt kan integreres i eksisterende kvantedatamaskiner og brukes av eksisterende kvantedatamaskinprogramvare.
«Å bytte ut Princetons komponenter med Googles beste kvanteprosessor, kalt Willow, ville gjøre den 1,000 ganger bedre.»
Fordelene med Princeton-qubitten vokser eksponentielt etter hvert som systemstørrelsen øker, så å legge til flere qubitter vil gi enda større fordeler.»
Dette betyr at Princetons design kan gjøre det mulig for en hypotetisk datamaskin på 1,000 qubit å fungere omtrent 1 milliard ganger bedre.
Enda bedre er det at bruken av tantal og silisium betyr at produksjonsmetoden passer til de som allerede brukes av halvlederindustrien, noe som gjør masseproduksjon til en mye enklere milepæl å nå enn en helt ny teknologi.
Denne forskningen ser ut til å indikere at kvantebrikker av silisium, som vi diskuterte tidligere, er sannsynligvis den riktige retningen for kvantedatamaskinindustrien.
Sammen med bedre kvantelyskilder, hybride kvantefotoniske brikkerog muligheten til å bære kvanteinformasjon sammen med vanlig telekomdataflyt, disse skrittene mot mye større kvantedatamaskiner viser at teknologien raskt når kommersiell modenhet.
Investering i kvantedatamaskininnovasjon
1. Alphabet Inc.
(GOOGL )
Google er svært aktiv innen kvantedatabehandling, hovedsakelig gjennom sin Google Quantum AI-laboratorium og Quantum AI-campus i Santa Barbara.
Googles kvantedatamaskin skrev historie i 2019 da de hevdet å ha oppnådd «kvanteoverherredømme» med Sycamore-maskinen sin. Maskinen utførte en beregning på 200 sekunder som ville ha tatt en konvensjonell superdatamaskin 10 000 år.
Dette er nå overskygget av den nyeste brikkens ytelse, kalt WillowDette er den aller første kvanteberegningsbrikken som har en feilrate som er lav nok til at jo flere qubits du legger til, desto mindre feil får du. Det gjør den til den aller første skalerbare kvantebrikkedesignen.
Men kanskje Googles største bidrag vil være innen programvare, en aktivitet der de har en imponerende merittliste, faktisk bedre enn innen maskinvare (Søk, G Suite, Android osv.).
Googles kvante-AI tilbyr allerede en programvarepakke som er utviklet for å hjelpe forskere med å utvikle kvantealgoritmer.
Den tar også åpent til orde for "forskere, ingeniører og utviklere for å bli med oss på denne reisen ved å sjekke ut vår åpen kildekode programvare og utdanningsressurser, inkludert våre nytt kurs på Coursera, hvor utviklere kan lære det vesentlige av kvantefeilkorreksjon og hjelpe oss med å lage algoritmer som kan løse fremtidens problemer."
Takket være denne åpne tilnærmingen er Google nå ledende innen maskinvare så vel som skyløsninger. Google kan være et av selskapene som setter standarden for kvantedatabehandlingsprogramvare og kvanteprogrammering, noe som gir dem en privilegert posisjon til å styre feltets fremtidige utvikling.
I mellomtiden kan AI-løsninger, inkludert Waymos selvkjørende bil, bli den nye inntektsdriveren for Alphabet, som fortsatt har en massivt dominerende posisjon i søke- og annonsebransjen.
Du kan lære mer om Googles ikke-kvantebaserte aktiviteter, spesielt annonser og AI, i vår dedikerte rapport fra desember 2024.
Siste aksjenyheter og utviklinger i alfabetet (GOOGL)
Studie referert til:
1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC et al. Millisekunders levetid og koherenstider i 2D transmon-qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4
