Kvanteregning: Ny smartforsterker sparer energi

Et team av forskere fra Chalmers University of Technology i Sverige introduserte et smartforsterkersystem som gjør det mulig for kvantedatamaskiner å maksimere deres qubit-data. Oppgraderingen vil hjelpe fremtidige enheter med å skalere opp for å møte den økende etterspørselen etter AI-sentrerte datasystemer fremover. Slik brukte ingeniører qubit-forsterkere for å øke ytelsen til kvantedatamaskiner.

Kvantemaskiner

Det har vært mye snakk om kvantedatamaskiner i det siste. Disse enhetene, som først ble oppfunnet i 1998, bruker qubiter i stedet for tradisjonelle databit. Den første kvantedatamaskinen var en 2-qubit nukleær magnetisk resonans (NMR) kvantedatamaskin.

Designen var revolusjonerende fordi den inkorporerte kvantemekaniske fenomener som superposisjon og sammenfiltring for å utføre sine oppgaver. Merk at kvantedatamaskiner kan overgå superdatamaskiner og er i stand til å håndtere de mest komplekse beregningene som er kjent for menneskeheten i dag.

Biter vs Qubiter

Kraften deres kommer fra bruken av qubiter i stedet for biter. Dagens datamaskiner er avhengige av databit for å fungere. Biter sendes som 1‑ere og 0‑ere ved hjelp av binær kode. Enhver kombinasjon av disse sifrene kan representere spesifikk informasjon for datamaskiner. Binær kode har vært et solid fundament for databehandling i flere tiår.

Innføringen av kvantebiter, eller qubiter, endrer alt. Ved å bruke superposisjon kan qubiter bære alle verdier samtidig, og gir en enorm mengde beregningskapasitet. Merk at alle kvantedatamaskiner er avhengige av spesielle enheter de bruker for å tolke kvantedata, kalt forsterkere.

Forsterkere

Forsterkere forsterker følsomme mikrobølger for å øke qubit-signaler. De er en avgjørende komponent i designet av kvantedatamaskiner, hvor de bidrar til å sikre at qubit-data blir raskt registrert før den kvantemessige tilstanden forsvinner.

Begrensninger ved kvantedatamaskiner

Det finnes noen begrensninger ved kvantedatamaskiner som har bremset deres adopsjon. For det første er de ekstremt dyre å bygge og drifte. Disse enhetene må holdes ved kryogene temperaturer for å stabilisere qubitene og forhindre kvante‑dekoherens.

Dekohorens kan oppstå av mange grunner, inkludert magnetisk, elektrisk eller varmeinterferens. Sistnevnte er en alvorlig bekymring ettersom hver forsterker som legges til et kvantedatamaskinsystem også introduserer ekstra varme‑ og energikrav. Den minste temperaturendring kan føre til at qubiter mister sin integritet og blir ubrukelige for beregninger.

Innsiden av studien om smartforsterkeren

Studien Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout¹, fremmet av ingeniører fra Chalmers University of Technology i Sverige, introduserer en ny metode for å skalere opp ytelsen til kvantedatamaskiner. Den nye tilnærmingen er avhengig av høy‑ytelses qubiter drevet av en spesialbygd forsterker og algoritme.

Kvantedatamaskinsystemet bruker en modifisert kommersielt tilgjengelig kryogen hybrid‑enhet for å fungere sammen med en smartforsterker. Den smarte forsterkeren ble bygget for kun å fungere når kvantebiter pulserer. Denne tilnærmingen medførte mange utfordringer som forskerne måtte overvinne for å lykkes.

Kilde – Chalmers University of Technology

For det første måtte teamet konfigurere enheten til å operere raskt nok til å slå av og på mellom qubit‑pulser. For å oppnå dette laget ingeniørene en spesiell algoritme. Den optimaliserte gate‑spenning bølgeform‑algoritmen tillot forsterkeren å operere med høyere nøyaktighet. Algoritmen var også avgjørende for å redusere strømforbruket og varmen som enheten genererte.

I motsetning til tradisjonelle forsterkere, som kjører kontinuerlig, krever pulstilnærmingen at enheten starter på millisekunder. Ingeniørene finjusterte algoritmen for å oppnå dette, og sikret at den smarte forsterkeren aktiveres raskt nok til å holde tritt med qubit‑avlesningen.

Hvordan den smarte forsterkeren ble testet

Ingeniørene satte sin nye kvante‑smarte forsterker gjennom flere tester for å sikre dens evner og ytelsesparametere. Teamet begynte med å analysere forsterkernes gjenopprettingsbegrensninger. Denne testen involverte å registrere enhetens transiente støy og måle ytelsen.

Ingeniørene måtte sikre at dekoherensen var på et minimum under disse beregningene. Derfor fikk de enheten til å utføre flere høy‑nivå beregninger, og registrerte all støy som ble produsert mens systemet opererte tett.

Spesielt utnyttet teamet et kryogent tidsdomene‑støymålesystem med 5‑ns tidsoppløsning. Derfra forbedret forskerne nøyaktigheten ved å holde den målte støystandardavviket (SD) under 0,3 K.

Den neste testen målte tidsdomene‑støy og forsterkningsytelse som respons på en kvadratisk gate‑spenning bølgeform. Dette var en av de vanskeligste delene av arbeidet deres, ettersom qubiter pulserer i nanosekunder, noe som gjør timing og registrering av deres oppståen en utfordrende oppgave.

Til slutt dokumenterte teamet dreneringsstrøm‑transientene, noe som gjorde dem i stand til å beregne gjennomsnittlig strømforbruk for den pulsbetrukne smarte forsterkeren. Systemet tok hensyn til alle strømkrav, inkludert energitap under puls‑operasjoner.

Resultater fra smartforsterkeren: Raskere, Kaldere, Bedre

Testresultatene for den smarte forsterkeren er imponerende sammenlignet med forgjengere. Interessant nok representerer studien den første vellykkede demonstrasjonen av lav‑støy halvleder‑forsterkere for kvanteavlesning i pulsbetraktning, og åpner døren for fremtidige innovasjoner.

Merk at ingeniørene tidsbestemte forsterkeren for å se hvor raskt den kunne svare på qubiter. Enheten ble tidsmålt til 35 nanosekunder ved måling av qubitene. De bemerket også at forsterkeren produserte langt mindre varme og interferens under sin driftsperiode, noe som resulterte i renere signalmottak.

Gruppen beviste at deres pulstilnærming reduserte strømforbruket uten å redusere ytelsen. Tidligere førte tilleggsforsterkere til økt strømforbruk i systemet. Det var først da disse forskerne tok seg tid til å studere og lage en pålitelig puls‑algoritme at forsterkerens ytelse og energiforbruk kunne bli vellykket frakoblet.

Nøkkelfordeler med den smarte forsterkeren

Det finnes en lang liste med fordeler som den smarte forsterkeren bringer til markedet for kvantedatamaskiner. For det første kan den vise seg å være avgjørende i utviklingen av høy‑ytelses og lav‑energi kvantedatamaskiner. Disse systemene vil tilby en pålitelig og effektiv struktur for storskalapplikasjoner.

Økt følsomhet

Den smarte forsterkeren leverer mer nøyaktige og følsomme avlesninger av qubit‑data takket være pulslayouten. Algoritmen sikrer at enheten kun opererer når qubitene er aktive. Den representerer den mest følsomme forsterkeren som noen gang er bygget med transistorer, og markerer en viktig milepæl i kvantedatamaskin‑sektoren.

Høyeffektiv ytelse

Designet gir også fordelen med energieffektivitet. Denne pulslayouten reduserer gjennomsnittlig strømforbruk med opptil ~85–90 % sammenlignet med kontinuerlig drift. Denne effektiviteten er avgjørende for designet, da AI‑protokoller som kvantedatamaskiner skal kjøre, også krever mye energi.

Lav varmeproduksjon

En annen fordel med den pulserende smarte forsterkeren er at den genererer langt mindre varme enn sine forgjengere. Den nye enheten vil gjøre det mulig for de kryogene kamrene som kvantedatamaskiner trenger for å operere, å fungere med mindre innsats. I tillegg åpner den døren for at disse enhetene kan bli mindre og integrert i flere enheter i fremtiden.

Reelle bruksområder og utrullingsplan

Det finnes en lang liste med virkelige anvendelser for høyeffektive forsterkere. Den åpenbare bruken er å oppgradere kvantedatamaskiner og gjøre dem mer tilgjengelige for publikum. Snart vil datasentre for kvantedatamaskiner tilby avanserte beregningskapasiteter til massene via skytjenester. Derfra bør teknologien etter hvert bli rimelig for den gjennomsnittlige personen.

Det kan ta mer enn 10 år før du får bruke en kvantedatamaskin drevet av en smartforsterker. Det er fortsatt mange kostnadsbegrensninger for disse enhetene, som behovet for å operere i kryogene kamre. Imidlertid vil skybaserte kvantedatamaskintjenester begynne å få fart i løpet av de neste fem årene.

Legemiddelforskning

Kvantedatamaskiner som driver avanserte AI‑algoritmer vil revolusjonere medisinfeltet. Allerede spiller AI‑systemer en viktig rolle i utvikling av legemidler og behandlinger. I de kommende årene vil høy‑ytelses kvantedatamaskiner bidra til å forbedre testing og utvikling av nye legemidler uten bruk av forsøksdyr.

Kryptering

Krypteringssektoren vil oppleve store endringer når kvantedatamaskiner tas i bruk. Disse enhetene vil ha nok kraft til raskt å knuse vanlige datamaskin‑baserte sikkerhetsprotokoller. Dermed vil de vise seg å være avgjørende for å sikre fremtidige datasystemer og forhindre storskala datainnbrudd eller hacking.

Driver morgendagens AI

Den beste bruksområdet for smarte forsterkere er i å lage kvantedatamaskiner som driver fremtidige AI‑systemer. AI‑protokoller er kun så gode som deres trening og datasett. Kvantedatamaskiner kan utnytte enorme datasett og få tilgang til arkivert informasjon fra dem på rekordtid. Denne tilnærmingen vil tillate disse systemene å utføre massive og komplekse beregninger på sekunder.

Logistikk

Logistikksektoren er et annet område hvor kvantedatamaskiner kan skinne. Logistikksmarkedet representerer billioner av varer som reiser over hele verden daglig. Innføringen av IoT‑enheter (Internet of Things) og AI har bidratt til å forbedre sporbarheten.

Imidlertid har disse systemene ikke kraften til å holde tritt med det økende antallet sensorer og andre innspill som opprettes langs et produkts reise. Kvantedatamaskiner kan støtte fremtidige logistikksystemer. De muliggjør sanntidsforbedringer i effektivitet på tvers av massive nettverk.

Forskere i studien om smartforsterkeren

Studien om den smarte forsterkeren ble presentert av et team av forskere ved Chalmers University of Technology i Sverige. Studien oppgir Yin Zeng og Maurizio Toselli som hovedforfattere av arbeidet. Den viser også støtte fra Jörgen Stenarson, Peter Sobis og Jan Grahn, en professor i mikrobølge‑elektronikk ved Chalmers.

Finansiering til prosjektet kom fra Vinnova‑programmet Smarter electronic systems og Chalmers Centre for Wireless Infrastructure Technology (WiTECH).

Fremtiden for studien om smartforsterkeren

Forskerne ser arbeidet sitt som grunnlaget for fremtidige utviklinger. De håper å fortsette studiene sine av høy‑ytelses qubit‑forsterkere og arbeide med å gjøre enheten enklere å integrere i fremtidige kvantedatamaskin‑brikker.

Investere i kvantedatamaskiner

Industrien for kvantedatamaskiner har flere høytstående aktører som kjemper om tittelen. Disse selskapene har investert millioner i å skape høy‑ytelses enheter som kan utføre beregninger på et nivå selv superdatamaskiner aldri kan oppnå. Her er ett selskap som fortsetter å levere levedyktige løsninger for markedet.

Nvidia

Når du tenker på Nvidia (NVDA ), har du sannsynligvis bilder av høyt etterspurte GPU‑er. Selskapet har opparbeidet seg et rykte som en ledende leverandør av disse enhetene, som er kritiske i avanserte grafikk‑ og kryptomineringsoperasjoner.

Det de fleste ikke vet, er at Nvidia også spiller en avgjørende rolle i markedet for kvantedatamaskiner, hvor de leverer maskinvare og tjenester til produsenter. Selskapets nyeste produkter inkluderer NVIDIA DGX Quantum.

Dette høy‑ytelses systemet og referansearkitekturen ble designet spesielt for å støtte kvante‑klassisk databehandling. Produktet ble bygget i samarbeid med en annen stor aktør i sektoren, Quantum Machines.

Merk at Nvidia fortsetter forskning og utvikling av Quantum Processing Units (QPUs), og søker å bli den foretrukne maskinvareløsningen for fremtidige systemer. Hvis selskapet kan utnytte sin posisjon og først‑til‑marked‑status, kan det føre til at firmaet oppnår markedsdominans, likt deres handlinger i grafikkortsektoren.

Alle som ønsker eksponering mot flere høyteknologiske sektorer, inkludert AI, grafikk, spill og kvantedatabehandling, bør undersøke Nvidia nærmere. Selskapet har opparbeidet seg et rykte som en leverandør av kvalitetsmaskinvare. Fremover håper de å legge infrastrukturen som trengs for å drive morgendagens høy‑ytelses datamaskinsystemer.

Siste nyheter og utviklinger om Nvidia (NVDA) aksjen

Avsluttende tanker: Et skritt nærmere skalerbar kvante

Studien om den smarte forsterkeren introduserte en pålitelig metode for å gjøre verdens mest kraftfulle datamaskiner enda raskere. I tillegg reduserer enheten strømforbruket, noe som gjør den ideell for bruk i bærekraftige systemer. Alle disse faktorene gjør den smarte forsterkeren til en spillveksler som kan bidra til å innlede en ny æra med ultra‑kraftige datamaskiner.

Lær mer om andre utviklinger innen kvantedatamaskiner her.

Studier referert:

^{1. Zeng, Y., Stenarson, J., Sobis, P., & Grahn, J. (2025). Pulsed HEMT LNA operation for qubit readout. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Advance online publication. https://doi.org/10.1109/TMTT.2025.3556982}