Kvantberäkning gör stora framsteg med avancerad supraledande teknik

En framväxande teknik, kvantberäkning utnyttjar lagarna för kvantmekanismer för att lösa komplexa problem som ligger bortom kapaciteten hos traditionella datorer. 

Dessa kvantdatorer lagrar information i qubitar (eller kvantbitar). Till skillnad från klassiska bitar kan dessa qubitar existera bortom ett binärt tillstånd av 0 och 1 och kan därför utföra beräkningar mycket snabbare. 

Moreover, dessa qubitar finns i olika former, including trapped-ion qubits, which use charged ions or atoms; photonic qubits, which use light particles; and superconducting qubits, which are a circuit loop with an electrical current traveling around them.

Som en del av ‘solid-state’ kvantberäkning demonstrerades supraledande qubitar först 1999. Sedan dess har de utvecklats till en av de primära formerna av qubit‑teknik och erbjuder fördelar såsom minskad energiförlust, låg resistans, minskad decoherens, skalbara kvantkretsar, hög hastighet i qubit‑operationer, stabila qubit‑tillstånd, högfidelitets‑qubit‑kontroll och felkorrigering.

Under det senaste decenniet har supraledande kvantberäkning blivit ett populärt alternativ för att bygga funktionella kvantdatorer, och pågående forskning för oss närmare att göra dem till verklighet.

Nya genombrott inom supraledande material

Precis den här veckan publicerade ett forskarteam en studie i Science Advances om utvecklingen av ett nytt supraledande material för kvantberäkning.

Det nya supraledande materialet är en kandidat för en ”topologisk supraledare”, en typ som använder ett hål eller en elektrons delokaliserade tillstånd för att bära kvantinformations och bearbeta data.

Fysikern Peng Wei från University of California ledde ett forskarteam som kombinerade trigonal tellurium, ett icke‑magnetiskt material som inte kan överlagras på sin spegelbild, med en yttillståndssupraledare som genererades på ytan av en tunn guldfilm.

Denna kombination skapade en 2D‑gränssnittssupraledare med förbättrad spinpolarisation, vilket möjliggör att excitationerna potentiellt kan användas för att skapa en stabil spin‑qubit. Detta banbrytande supraledande material har potential att revolutionera skalbarheten och tillförlitligheten hos komponenter för kvantberäkning. 

“Genom att skapa ett mycket rent gränssnitt mellan det chirala materialet och guld utvecklade vi en tvådimensionell gränssnittssupraledare. Gränssnittssupraledaren är unik eftersom den befinner sig i en miljö där spinnenergin är sex gånger mer förstärkt än i konventionella supraledare.”

– Wei, lektor i fysik och astronomi

Under ett magnetfält observerades materialet dessutom genomgå en övergång, vilket tyder på dess användning som en triplet‑supraledare, vilket kan leda till mer robusta komponenter för kvantberäkning. Det blev i princip mer robust vid ett starkt magnetfält än vid ett svagt magnetfält. 

Dessutom, genom att använda icke‑magnetiska material för renare gränssnitt, undertrycker denna nya teknik naturligt källorna till decoherens, vilket är en utmaning inom kvantberäkning.

Forskarna demonstrerade också supraledarens förmåga att tillverkas till högkvalitativa lågförlust‑mikrovågsresonatorer, vilka är kritiska komponenter för kvantberäkning. På så sätt kan detta leda till lågförlust‑supraledande qubitar. 

Eftersom minskning av decoherens eller förlust av kvantinformations i ett qubitsystem är den största utmaningen inom kvantberäkning, kan denna forskning hjälpa till att utveckla mer skalbara och pålitliga komponenter för kvantberäkning. Enligt Wei:

“Vi uppnådde detta genom att använda material som är en tiopotenser tunnare än de som vanligtvis används i kvantberäkningsindustrin.”

These microwave resonators have a quality factor reaching 1 million.

En vecka innan detta publicerade ett UCLA‑lett team också en studie som presenterade ett nytt material som visar lovande för kvantberäkning. 

Materialet behöll sina supraledande egenskaper under mycket högre än vanliga magnetfält och uppvisade supraledande diod‑effekt. Denna effekt, som tillåter mer ström att flöda i en riktning, ses vanligtvis i chirala supraledare och är sällsynt i traditionella supraledare.

För att inducera det chirala beteendet i en konventionell supraledare skapade forskarna ett chiralt molekylärt lager och en lagerstruktur med 2D‑materialet tantalumdisulfid (TaS2).

Denna studie visade potentialen att förbättra effektiviteten och stabiliteten i kvantberäkning samt göra konventionell elektronik snabbare och mer energieffektiv.

Innovationer inom qubit‑kontroll och skalbarhet

Med kvantdatorer som har förmågan att ”drastiskt förändra världen” har det pågått ett globalt race för att bygga en praktisk kvantdator.

Dock är en av de största utmaningarna som hindrar tillväxten av kvantdatorer skalbarhet, vilket innebär att tillräckligt stora datorer kan hantera verkliga problem. För att ha en kvantdator som kan lösa användbara problem behöver vi antingen fler qubitar eller ett pålitligt sätt att minska fel som uppstår under beräkningarna.

Så tog forskare i Japan sig an problemet genom att öka det hanterbara antalet qubitar och minska det nödvändiga antalet qubitar.

För ett par månader sedan demonstrerade forskarna framgångsrikt en supraledande krets som kan kontrollera många qubitar vid låga temperaturer.

I detta experiment visades en supraledande krets kunna kontrollera flera qubitar genom bara en kabel med hjälp av mikrovågs‑multiplexning. Kretsen har potential att förbättra densiteten av mikrovågssignaler per kabel med cirka 1 000‑gången. Detta resultat kan avsevärt öka antalet kontrollerbara qubitar och bidra till utvecklingen av storskaliga kvantdatorer.

För att minska den hårdvara som krävs för att placeras mellan qubitar och elektronik vid rumstemperatur utvecklades en innovativ ”cryo‑electronics”. ”Cryo‑electronics” är elektronik för qubit‑kontroll och avläsning som fungerar vid kryogena temperaturer nära qubitarna. 

Cryo‑electronics har också demonstrerats fungera vid högklockfrekvens fyra grader över den absoluta nollpunkten. Nu är fokus på att minska energiförbrukningen för att minimera värmen som genereras bredvid qubitarna. 

Ytterligare ett fokus för japanska forskare är att hitta sätt att korrigera bearbetningsfel. Mitt i detta utvecklade forskare från Princeton University en tillverkningsteknik för felfri kvantberäkning.

I denna forskning skapade forskarna ett supraledande lager ovanpå en topologisk isolator, tungstenditellurid (WTe2). Tekniken använde ett ”frö” av deponerat metall (palladium) över isolatorns yta för att bilda en ny kristallstruktur, Pd7WTe2, som uppvisade noll resistans.

Atom‑spridningstekniken fungerar framgångsrikt med en rad olika material, inklusive molybdenditellurid (MoTe2).

Även om ytterligare tester krävs för att avgöra om det är en topologisk supraledare, tror forskarna att nya supraledare kan skapas genom deras generella metod.

Hantera decoherens och förbättra prestanda

Ett annat genombrott inom kvantberäkning kom tidigare i år när forskare introducerade ett nytt tillvägagångssätt för supraledande kretsar. Detta tillvägagångssätt har potential att avsevärt förlänga körtiden för en kvantdator.

Som vi har noterat avbryts den kontinuerliga driften av en sådan dator på grund av hur lätt kvanttillståndet för en qubit kan destabiliseras. Detta kallas decoherens och leder till fel i beräkningarna. Detta sker på grund av interaktioner med andra qubitar och deras omgivning.

Och eftersom supraledande qubitar möjliggör växling mellan olika tillstånd på kortast möjliga tid, är de i fokus för växande forskning. Men medan de kan förbättra växlingstiden är de också mer benägna att drabbas av decoherens på så kort tid som millisekunder.

Så föreslog en internationell forskargrupp en Josephson‑junction‑design som benämns ”flowermon”. Denna design använder två en‑atom‑tunna cuprat‑flisor, ett supraledande material baserat på koppar.

“Flowermon moderniserar den gamla idén att använda okonventionella supraledare för skyddade kvantkretsar och kombinerar den med nya tillverkningstekniker och en ny förståelse av supraledande kretskoherens.”

– Uri Vool, fysiker vid Max Planck‑institutet för kemisk fysik av fasta ämnen i Tyskland

Enligt teamets beräkningar kan deras design minska brus och därmed öka koherenstiden för qubitar med flera storleksordningar. Det var dock enbart teoretiskt, och teamet planerar att använda sina resultat för att optimera supraledande qubitar härnäst.

För att ta itu med prestandan hos kvantdatorer utvecklade förra året ett forskarteam från University of Minnesota Twin Cities även en justerbar supraledande diod som inte bara kan hjälpa till att skala upp kvantdatorer utan också förbättra artificiella intelligenssystem.

En diod är en enhet som tillåter ström att flöda i en riktning. Även om de vanligtvis tillverkas med halvledare har forskare utforskat att göra dioder med supraledare, vilket möjliggör energitransfer utan någon förlust längs vägen.

Den seniora forskningsförfattaren Vlad Pribiag, som är lektor vid University of Minnesota School of Physics and Astronomy, noterade:

“Vi vill göra datorer kraftfullare, men det finns vissa hårda gränser som vi snart kommer att nå med våra nuvarande material och tillverkningsmetoder.”

Den största utmaningen för att öka beräkningskraften är att disipera energi, så teamet valde att använda supraledande teknologier.

Den supraledande dioden byggdes med hjälp av tre Josephson‑junctions. Även om den tillverkades genom att sandwicha bitar av icke‑supraledande material i mitten av supraledare, hade forskarna här supraledarna kopplade med lager av halvledare.

Denna unika design gjorde det möjligt för forskarna att kontrollera enhetens beteende med hjälp av spänning. Den kan också bearbeta flera elektriska signaler samtidigt, till skillnad från vanliga dioder som bara kan hantera en in- och utgång vardera. Dessa egenskaper kan leda till att den supraledande dioden används i hjärninspirerad neuromorfisk beräkning.

I neuromorfisk beräkning designas elektriska kretsar för att efterlikna hur neuroner fungerar i den mänskliga hjärnan för att förbättra prestanda.

Enligt Mohit Gupta, papirets första författare, är denna nya supraledande diod mer energieffektiv än andra supraledande dioder. Mer specifikt, för första gången levereras den med en serie grindar för att kontrollera energiflödet. Denna funktion har tidigare inte införlivats i en supraledande diod, men studien har “visat att man kan lägga till grindar och applicera elektriska fält för att finjustera denna effekt.”

Dessutom var materialet som användes i denna forskning mer branschvänligt och kunde leverera nya funktioner.

Tekniken som användes i denna studie kan vidare utnyttjas med vilken supraledare som helst, vilket gör den mycket flexibel och kompatibel med industriella tillämpningar. Dessa egenskaper kan hjälpa till att skala upp utvecklingen av kvantdatorer för bredare användning.

“Just nu är alla kvantdatorer som finns mycket grundläggande i förhållande till behoven i verkliga tillämpningar. Skalning är nödvändig för att ha en dator som är tillräckligt kraftfull för att hantera användbara, komplexa problem.”

– Pribiag

Detta har särskild betydelse idag då AI‑användning växer kraftigt. Detta har lett till att forskare undersöker algoritmer för datorer eller AI‑maskiner som kan överträffa klassiska dators prestanda. Denna studie, noterade Pribiag, utvecklar hårdvaran för att möjliggöra att kvantdatorer kan implementera dessa algoritmer. 

Forskningen finansierades huvudsakligen av United States Department of Energy med delvis stöd från National Science Foundation och Microsoft (MSFT ) Research.

Krympning av qubitar med 2D‑material utan att påverka prestanda

Fortsatt forskning och utveckling har lett till att forskare bygger supraledande qubitar som är mycket mindre än vanliga qubitar. Dessa supraledande qubitar byggdes med hjälp av 2D‑material.

För att överträffa hastigheten och kapaciteten hos klassiska datorer måste kvantdatorernas qubitar vara på samma våglängd. För att uppnå detta måste forskarna vanligtvis offra storleken på dessa qubitar, som även idag mäts i millimeter till skillnad från deras klassiska motsvarigheter, vars transistorer har krympt till nanometer.

För att minska storleken på qubitar så att de inte har ett stort fysiskt fotavtryck samtidigt som de behåller sin prestanda, visade James Hone, Wang Fong‑Jen‑professor i maskinteknik vid Columbia University, en mycket liten supraledande qubit‑kondensator.

Tidigare använde ingenjörer plana kondensatorer för att bygga qubit‑chip. Här placeras laddade plattor bredvid varandra, och även om de kan staplas för att spara utrymme, skulle det störa lagringen av qubit‑information.

Så placerade Hone’s doktorandstudenter Anjaly Rajendra och Abhinandan Antony ett isolerande lager av boronitrid mellan två laddade plattor av supraledande niobiumdiselenid. Endast en atom tjocka hålls dessa lager ihop av van‑der‑Waals‑krafter, en svag interaktion mellan elektrostatisk krafter. 

Kondensatorerna kombinerades sedan med aluminiumkretsar för att skapa ett chip. Detta chip hade två qubitar och var endast 35 nanometer tjockt, 1 000 gånger mindre än de som produceras med konventionella metoder.

När de kyls ner fick qubitarna samma våglängd. De observerades också bli sammanflätade och agera som en enhet. Denna kvantkoherens, även om den bara är kortlivad (lite över en mikrosekund), innebär att kvanttillståndet för qubiten kan manipuleras och avläsas via elektriska pulser. Enligt Hone:

“Vi vet nu att 2D‑material kan hålla nyckeln till att göra kvantdatorer möjliga. Det är fortfarande mycket tidigt, men sådana fynd kommer att driva forskare världen över att överväga nya tillämpningar av 2D‑material. Vi hoppas på mycket mer arbete i denna riktning framöver.”

Tack vare deras unika struktur har tvådimensionella (2D) kvantmaterial markerat ett betydande genombrott inom materialvetenskap. Till skillnad från 3D‑material är 2D‑kvantmaterial bara en eller några få atomer tjocka, och elektroner kan röra sig i alla tre riktningar.

Några populära 2D‑material inkluderar Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs) och Hexagonal Boron Nitride (h‑BN).

Även om dessa material erbjuder olika egenskaper och potential för transformerande tekniska tillämpningar, står de inför utmaningar vad gäller syntes, integration och skalbarhet som måste övervinnas innan deras fulla potential kan realiseras.

Viktiga företag som leder kvantberäkningsrevolutionen

Låt oss nu titta på några framstående företag som är involverade i supraledare och kvantberäkning:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet (GOOG ) är starkt investerat i forskning kring kvantberäkning genom sitt dotterbolag Google Quantum AI. Divisionen har skapat en supraledande kvantprocessor kallad Sycamore, som redan 2019 kunde slutföra en beräkning på 200 sekunder som annars skulle ha tagit 10 000 år även för en kraftfull superdator. Sedan dess har Sycamore‑kvantprocessorn vuxit avsevärt och nu har 70 qubitar, vilket gör den 241 miljoner gånger mer robust än sin tidigare modell.

Techjätten har ett marknadsvärde på 2,06 triljon $, och dess aktier (GOOGL:NASDAQ) handlas till 165,68 $, upp 18,56 % YTD. För Q2 2024 rapporterade Alphabet en 28,6 % ökning av nettoresultatet till 23,6 mdr $, medan den totala omsättningen växte 14 % till 84,74 mdr $. Googles moderbolag meddelade också en kontantutdelning på 0,20 $ per aktie.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA (NVDA ) har utforskat kvantberäkning och supraledare genom partnerskap och samarbeten. I mars i år meddelade företaget en accelerering av sina kvantberäkningsinsatser vid nationella superdatoranläggningar i Tyskland, Japan och Polen med den öppen källkods‑plattformen NVIDIA CUDA‑Q™.

AI‑favoriten på marknaden, NVIDIA‑aktier har haft en fantastisk period i år, vilket tydligt visas av deras 161,24 % uppgång under 2024 hittills. Denna uppgång har NVDA‑aktierna handlande till 129,45 $, vilket ger företagets marknadsvärde på 3,188 triljon $. Chipstillverkaren rapporterade ett rekord för Q1 2024, med en omsättning på 22,1 mdr $.

Slutsats

Så arbetar forskare, organisationer och företag runt om i världen med att driva fram kvantberäkning, som utmärker sig i komplex problemlösning. Fokuset på supraledande teknik, i synnerhet, hjälper till att driva betydande framsteg och för oss närmare att förverkliga denna transformerande tekniks fulla potential. 

Klicka här för att lära dig om den nuvarande statusen för kvantberäkning.