Kvantchip nära verkligheten med skalbar kiseldesign

Diraq-forskare presenterade en kommersiellt livskraftig högfidelitetskvantbit med en tillverkningsmetod i skala som kan revolutionera datorsektorn. Detta bevis på principen använder traditionella tillverkningsprocesser som har använts i årtionden för att leverera pålitliga, storskaliga, feltoleranta kvantdatorchip som behåller maximal fidelitet. Här är vad du behöver veta.

Efterfrågan på prisvärda kvantdatorer ökar

Det finns en växande efterfrågan på kvantdatorstjänster och specialister. Enligt senaste rapporterna har företag redan spenderat 2,35 miljarder dollar på kvanttjänster förra året. Dessutom har sektorn upplevt en betydande ökning i rekrytering, med LinkedIn-statistik som visar en 180 % ökning av företag som söker kvantprofessionella mellan 2020 och 2024.
Det finns många orsaker till den ökade efterfrågan på kvantdatorer. En sådan orsak är militära tillämpningar. Runt om i världen har militären investerat betydande medel i hopp om att få ett konkurrensfördel gentemot sina motståndare.

Kvantbenchmarkinginitiativet

USA:s Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) är för närvarande värd för Quantum Benchmarking Initiative. Målet med detta projekt är att fastställa om kvantdatorchip kan skalas och göras mer hållbara än deras nuvarande design, som har ett bräckligt kvanttillstånd.

För att genomföra denna uppgift har 18 företag valts ut för att tävla mot varandra för att uppnå nyttagnivå inom kvantdatorssektorn. Nyttagnivå är en term som avser kvantdatorns förmåga att lösa problem som vida överstiger dagens superdatorer.

Denna uppgift kommer att kräva felkorrigering i realtid för att uppfylla högfidelitetskraven. Fidelitet avser chipets noggrannhet. Ingenjörer måste skapa ett kvantchip som kan lagra och komma åt enorma mängder information samtidigt som det på ett pålitligt sätt upprätthåller mer än 100 qubits över det bräckliga kvanttillståndet.

Kiselbaserade kvantchip

Det har funnits många olika typer av kvantchipdesign som har använts för att skapa kvantmaskinvara. Introduktionen av kiselbaserade kvantchip har dock betydande fördelar.
För det första kan de utnyttja de miljarder dollar i infrastruktur och tillverkningsstrategier som redan finns för traditionella chip. Dessutom kan chipen rymma miljontals qubits på ett enda chip. Dessa qubits är placerade exakt för att möjliggöra effektiv kvantdatoranvändning.

Nästa steg

Genom att erkänna den potential som kiselspinn-qubit-teknik erbjuder har ingenjörer sökt sätt att förbättra dessa chipdesign. Deras forskning har inkluderat omfattande laboratorietester. Laboratorieresultaten har visat sig vara korrekta. Dock har man hittills inte försökt att se om samma nivå av noggrannhet kan uppnås med traditionella industriella tillverkningsmetoder i skala.

För att genomföra denna uppgift måste ingenjörer övervinna flera materialutmaningar. Deras design måste ta hänsyn till störningar som orsakas av laddningsbrus och statisk oordning. Dessa problem uppstår på grund av defekter och fällor vid gränssnitt och oxider som finns i kiselchipdesign.

Storskalig studie av kvantchipstillverkning

Den senaste Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹-studien som publicerades den 24 september i Nature ger värdefulla insikter i avgörande mått som är ansvariga för att uppnå skalbara kvantchip.
Den knyter samman realtidsövervakningsmöjligheter med förmågan att korrigera kvantfel. Specifikt pekar den på korrelationer mellan elektriskt brus och Hall-bar-transport. Som en del av arbetet designade Diraq en ny mjukvara för chipdesignmodellering.
De samarbetade med chiptillverkningsföretaget imec, som ansvarade för den slutgiltiga tillverkningen av enheten. Därefter skapade teamet flera designer med hjälp av kiselplattor och traditionell CMOS-geometri.

Standardverktyg

Ingenjörerna valde flera två-qubit-enheter som använde plan metall‑oxid‑semiconductor med polysilikongater. Enheterna tillverkades med standardsemiconductorverktyg i en 300 mm-fundamentsmiljö. Specifikt inkluderade arkitekturen en dubbel kvantdots och en enkel‑elektron‑transistor (SET), som möjliggjorde realtidsavläsning av spinn.
Noterbart är att de fyra elektronerna i den dubbla doten som bildas under plunger‑gate‑elektroderna i enheten möjliggör kontroll av tunnelkoppling mellan dotarna och ger brusanalys. Därefter placerades hela enheten i ett 3He/4He-förtunningskylskåp som sattes till en bastemperatur på 10 mK i isolerat läge.

Testning av den nya kvantchipdesignen

För att testa deras konstruktion utsatte teamet enheten för flera experimentella förhållanden skapade i UNSW:s forskningslab. Det första steget var att utvärdera chipets primära qubit-funktionalitet. Detta test inkluderade test av både en- och två-qubit-gates samt registrering av felhastigheter.
Noterbart använde teamet ett toppmodernt verktyg för gate‑set‑tomografi (GST) för att få värdefulla insikter i kvanttillståndet i realtid. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt att bestämma interferensfaktorer som korsprat och uppdelningen mellan stokastiska och koherenta fel.
Efter att ha dokumenterat fyra designer genomförde de kryoprovningsmätningar på ytterligare 16 alternativ. Varje chip hade en något annorlunda form och arkitektur, vilket gjorde det möjligt för teamet att få insikt i hur deras design ger enhetlig elektrostatiskt kontroll över enhetens gate‑elektroder.

Resultat från test av storskalig studie av kvantchipstillverkning

Testresultaten visade att konceptet var en framgång. Teamet demonstrerade hög prestanda för qubits på 300 mm-plattan med traditionella semiconductor‑fabriker. Deras data tyder på att chipet presterade exakt som förutsagt. I både enkla och två‑qubit‑kontrollmiljöer överträffade det 99 % noggrannhet över alla fyra enheter.
Resultaten från dessa tester indikerar att Diraqs kisel‑kvantchip kan massproduceras framgångsrikt med traditionella CMOS‑strategier. Denna upptäckt öppnar dörren för storskalig produktion av nästa generations kvantdatorenheter.

Fördelar med storskalig studie av kvantchipstillverkning

Svep för att rulla →

Det finns många fördelar som denna studie ger till industrin. För det första tillhandahöll den värdefull vetenskaplig kunskap om hur man övervinner de tekniska begränsningarna i storskaliga tillverkningsstrategier för kvantdatorer. Den demonstrerade också ett sätt att integrera kvantchip i massproduktion i framtiden.

Noggrannhet

En av de största upptäckterna är att fondprocessen inte minskade noggrannheten eller fideliteten hos kvantchipen. Den visade faktiskt att kiselbaserade kvantchip kan behålla världsledande noggrannhet när de skapas med toppmoderna spinn‑qubit‑strategier kombinerade med felkorrigering i realtid.

Massproduktion

Huvudmålet med studien var att demonstrera att kiselbaserade kvantdatorer kan utnyttja den mogna semiconductor‑industrin. Ingenjörerna lyckades med detta mål, vilket öppnar dörren för att dessa chip får storskalig antagning.

Verkliga tillämpningar & tidslinje

Det finns flera tillämpningar för denna studie. För det första kommer den att hjälpa till att erbjuda en livskraftig väg framåt för storskalig produktion av pålitliga kisel‑kvantchip. Dessa enheter kommer att spela en avgörande roll i många högteknologiska industrier, inklusive AI, rymdteknik, medicin, klimatmodellering och mycket mer.

Tidslinje för storskalig studie av kvantchipstillverkning

Det kommer att ta 7–10 år innan du kan gå in i din lokala datorbutik och se kvantdrivna enheter till ett prisvärt pris. Detta arbete banar dock vägen för rimligt prissatta kvantdrivna datorer under nästa decennium.

Forskare bakom storskalig studie av kvantchipstillverkning

För att göra den Storskaliga studien av kvantchipstillverkning till en framgång samarbetade Diraq, ett UNSW Sydney nano‑tech startup, med det europeiska nanoelektronikinstitutet Interuniversity Microelectronics Centre (imec). Noterbart är att Diraq tidigare presenterade en kiselchipdesign som tillverkade qubits med CMOS‑processerna i deras laboratorium.
Detta steg inspirerade teamet att driva tekniken vidare, vilket möjliggjorde användning av storskaliga tillverkningsmetoder. Denna grundläggande prestation öppnar dörren för massproduktion av kiselbaserade kvantchip som kan användas i allt från transport till medicintekniska enheter.

Framtida forskningsinriktningar

När de kommenterade sina planer planerar ingenjörerna att göra ytterligare undersökningar av stora konfigurationer och högre elektronupptagningar. Deras mål är att få en bättre förståelse för den fysiska ursprunget till de observerade felmekanismerna och skapa modeller som exakt kan förutsäga och förhindra dessa händelser. Om de lyckas skulle detta arbete ge en tydlig väg till ännu högre prestanda i sektorn.

Investera i kvantdatorer

Flera utvecklare av kvantdatorer är verksamma globalt. Dessa företag fortsätter att tänja på gränserna för beräkning genom att ständigt investera i FoU för att minska tillverkningskostnaderna. Här är ett företag som förblir en pionjäranda på marknaden och erkänns som en branschledare.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) gick in på marknaden 2013. Företaget är baserat i Kalifornien och grundades av en fysiker vid namn Chad Rigetti. Rigetti Computings ursprungliga fokus var att skapa och underhålla supraledande qubits. Detta tillvägagångssätt inkluderade att skapa full‑stack supraledande kvantsystem och annan viktig hårdvara.
Noterbart är att Rigetti Computing alltid har varit en pionjäranda på marknaden. Till exempel introducerade de den första kvantprocessorn 2016. Detta 3‑qubit‑chip öppnar dörren för framtida innovationer, inklusive lanseringen av Forest‑kvantprogrammeringsmiljön, som hjälpte till att driva algoritmutveckling.

2017 lanserade Rigetti Quantum Cloud Services (QCS), vilket möjliggjorde företagsnivååtkomst till kraftfulla kvantchip. Detta steg följdes snabbt av öppnandet av en ny fabrik i Fremont, CA, samma år. Dessa åtgärder bidrog till att stärka företagets position och tillverkningskapacitet.
2024 demonstrerade Rigetti Computing sina 32‑qubit‑processorer. Detta steg följdes av ett strategiskt partnerskap med AWS. Alla dessa åtgärder stärkte Rigetti Computings marknadsposition och konsumentförtroende. Därför ses företaget idag som ett utmärkt sätt att få exponering mot kvantdatorssektorn.

Senaste BDX (RGTI) aktienyheter och prestanda

Storskalig studie av kvantchipstillverkning | Slutsats

Det finns så många anledningar till att skapa kisel‑kvantchip som kan utnyttja den mogna semiconductor‑industrin är en vinst för alla. För det första kommer det att driva kostnadsreduktion och vidare forskning. Dessutom kommer det att inspirera till mer teknologisk innovation i framtiden.

Lär dig mer om andra spännande kvantdatorgenombrott Här.

Referenser

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). Industrikompatibla kisel‑spinn‑qubit‑enhetsceller som överstiger 99 % fidelitet. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}