Millisekund‑qubiter markerer et gjennombrudd i kvanteteknologi

Gjennombrudd i millisekund‑skala superledende qubiter

Kvantemaskiner kan revolusjonere hvordan vi utfører kryptografi, beregner komplekse simuleringer som proteiners 3D‑konfigurasjon, og sannsynligvis har mange flere anvendelser vi knapt kan forestille oss i dag.

For å fungere trenger de så stabile som mulig «qubiter», det grunnleggende elementet i kvanteberegning. Så langt har kun «fangede ioner»-kvantedatamaskiner klart å generere svært stabile qubiter. Men denne teknologien er iboende vanskeligere å skalere opp enn superledende qubiter.

Så mens superledende qubiter kan bli fremtiden for denne teknologien, kreves en forbedring i stabiliteten til qubit‑koherenstiden.

Dette er akkurat hva et stort forskerteam ved Princeton University nettopp har oppnådd. De skapte en type superledende qubiter som kan holde koherens i mer enn ett millisekund, 3 × lengre enn den beste registrerte hittil.

De publiserte funnene sine i Nature¹, under tittelen “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.

Qubit‑koherensgrensen

For å utføre kvanteberegning må en kvantedatamaskin opprettholde «koherens», en spesiell kvantetilstand som er ekstremt sårbar for interferens fra omgivelsene. Generelt har termisk støy og partikkelbevegelse en tendens til å ødelegge koherens på noen få nanosekunder.

Under spesielle forhold, som ekstremt kalde omgivelser, kan en qubits levetid vare lenger. Men fortsatt er tilstrekkelig lang koherens en stor begrensning for de fleste kvantedatamaskiner i dag, noe som fører til beregningsfeil som ikke bare reduserer den totale beregningskapasiteten, men også vanskelig kan kompenseres med programvareoppdateringer.

Så å finne ut hvilket materiale som kan opprettholde koherens lenger er et viktig steg fremover som må tas før kvante‑datamaskin‑industrien når kommersiell fase.

“Den virkelige utfordringen, det som hindrer oss i å ha nyttige kvantedatamaskiner i dag, er at du bygger en qubit og informasjonen holder bare i svært kort tid.

Dette er det neste store spranget fremover.”

Andrew Houck, Princeton’s dean of engineering

Hvordan forskerne forlenget koherensen i transmon‑qubiter

Forskerne brukte samme type superledende qubiter som firmaer som Google eller IBM bruker i sine kvantedatamaskiner, transmon qubits.

Transmon‑qubiter har fordelen at de har høy nøyaktighet (enkel‑qubit‑gate‑fideliteter over 99,9 %), kan produseres i stor skala, og har høye koherenstider på 0,1 millisekund.

Dette er lovende, men koherenstiden er fortsatt for lav.

Så da Princeton‑forskerne kunngjorde at de hadde klart å lage en qubit som i gjennomsnitt varer 1,68 ms, er dette en enorm forbedring.

Kilde: Nature

Dette er en qubit‑varighet 3 × lengre enn den beste som noen gang er laget i et laboratorium, og 15 × sterkere enn den som brukes av private selskaper som utvikler kvantedatamaskiner.

Hvorfor tantal og silisium forbedrer kvante‑koherens

Tantal øker koherensen

For å oppnå dette resultatet brukte forskerne to ulike forbedringer i materialet som ble brukt.

Først brukte de et metall kalt tantal som baselag for å hjelpe de skjøre kretsene med å bevare energi. Dette er fordi små, skjulte overflatefeil i metallet kan fange og absorbere energi når den beveger seg.

Det er spesielt problematisk når flere qubiter legges til på en chip; denne typen feil multipliseres til det punktet hvor den gjør chippen ubrukelig etter et visst antall.

Scanning transmission electron microscopy (STEM) ble brukt for å bekrefte den svært regelmessige strukturen til de kubiske krystallene av tantal.

Kilde: Nature

Sammenlignet med metaller som aluminium, har tantal langt færre feil, og er svært motstandsdyktig mot de harde renseprosessene som brukes for å fjerne urenheter.

“Du kan sette tantal i syre, og egenskapene endres fortsatt ikke.”

Faranak Bahrami – Research at Princeton University

Å dyrke tantal direkte på silisium var en utfordring som krevde omfattende innsats for å overkomme.
Swipe to scroll →

Silisium erstatter safir

En annen kilde til energitap som fører til tap av koherens er safir‑substratet som brukes i kvante‑chips.

I stedet brukte forskerne høy‑kvalitets (høyt resistivt) silisium, et vanlig standardmateriale i den tradisjonelle databransjen.

Sammen gjør disse materialforbedringene i denne tantal‑på‑silisium‑plattformen at de resulterende enkelt‑qubit‑gate‑ene oppnår 99,994 % fidelitet.

Fra laboratorie‑gjennombrudd til skalerbare kvante‑chips

Forskerne fortsatte med å bruke metoden sin til å bygge en fullt fungerende kvante‑chip som overgår alle tidligere design.

Fordi feilraten er multiplikativ, skalerer denne typen forbedring eksponentielt med systemstørrelsen. Som et resultat har 10‑15 × forbedring i feilrate for individuelle qubiter en mye større effekt på en fler‑qubit‑datamaskin.

Viktig er at en slik qubit ikke er et eksotisk nytt konsept, men ganske enkelt en «tradisjonell» superledende qubit som bruker et annet materiale, så de kan lett integreres i eksisterende kvantedatamaskiner og brukes av eksisterende kvante‑programvare.

«Å bytte Princetons komponenter inn i Googles beste kvanteprosessor, kalt Willow, ville gjøre den 1 000 ganger bedre.

Fordelene med Princeton‑qubiten vokser eksponentielt etter hvert som systemstørrelsen vokser, så å legge til flere qubiter vil gi enda større gevinst.»

Andrew Houck, Princeton’s dean of engineering

Dette betyr at Princetons design kan gjøre en hypotetisk 1 000‑qubit‑datamaskin omtrent 1 milliard ganger bedre.

Enda bedre er at bruken av tantal og silisium gjør at produksjonsmetoden passer med de som allerede brukes i halvlederindustrien, noe som gjør masseproduksjon til et mye enklere mål enn en helt ny teknologi.

Denne forskningen ser ut til å indikere at silisium‑kvante‑chips, som vi diskuterte tidligere, sannsynligvis er den rette retningen for kvante‑datamaskin‑industrien.

Sammen med bedre kvante‑lyskilder, hybride kvante‑fotoniske chips, og muligheten til å overføre kvanteinformasjon sammen med normal telekom‑datatrafikk, viser disse stegene mot mye større kvante‑datamaskiner at teknologien raskt nærmer seg kommersiell modenhet.

Investering i innovasjon innen kvante‑databehandling

1. Alphabet Inc.

Google er svært aktive innen kvante‑databehandling, hovedsakelig gjennom sitt Google Quantum AI‑laboratorium og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvante‑datamaskin skrev historie i 2019 da den hevdet å ha oppnådd «kvante‑overlegenhet» med sin Sycamore‑maskin. Maskinen utførte en beregning på 200 sekunder som ville ha tatt en konvensjonell superdatamaskin 10 000 år.

Dette er nå overskygget av dens nyeste chips ytelse, kalt Willow. Dette er den aller første kvante‑chip‑en som har en så lav feilrate at jo flere qubiter du legger til, jo mindre feil får du. Den gjør den til det aller første skalerbare kvante‑chip‑designet.

Men kanskje Googles største bidrag vil være innen programvare, en aktivitet hvor de har en imponerende merittliste, faktisk bedre enn innen maskinvare (Søk, G Suite, Android, osv.).

Allerede gjør Googles Quantum AI en programvaresuite tilgjengelig for å hjelpe forskere med å utvikle kvante‑algoritmer.

De promoterer også åpent for «forskere, ingeniører og utviklere til å bli med på denne reisen ved å sjekke ut vår open source‑programvare og utdanningsressurser, inkludert vårt nye kurs på Coursera, hvor utviklere kan lære det grunnleggende om kvante‑feilkorrigering og hjelpe oss med å lage algoritmer som kan løse fremtidens problemer.»

Takket være denne åpne tilnærmingen leder Google nå både innen maskinvare og sine sky‑løsninger. Google kan bli ett av selskapene som setter standardene for kvante‑programvare og kvante‑programmering, noe som gir dem en privilegert posisjon til å styre feltets fremtidige utvikling.

Samtidig kan AI‑løsninger, inkludert Waymos selvkjørende bil, bli den nye inntektsdriveren for Alphabet (GOOG ), som fortsatt har en massivt dominerende posisjon i søke‑ og annonse‑industriene.

Du kan lære mer om Googles aktiviteter utenfor kvante, spesielt annonser og AI, i vår dedikerte rapport fra desember 2024.

Siste nyheter og utviklinger for Alphabet (GOOGL)‑aksjen

Studie referert til:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}