Millisekund-qubits markerar ett genombrott inom kvantteknik

Genombrott inom millisekundskaliga supraledande qubits

Kvantdatorer skulle kunna revolutionera hur vi utför kryptografi, beräknar komplexa simuleringar som proteiners 3D-konfiguration och förmodligen ha många fler tillämpningar som vi knappt gissar oss in i idag.

För att fungera behöver de så stabila "qubits" som möjligt, det grundläggande elementet i kvantberäkning. Hittills har endast kvantdatorer med "fångade joner" lyckats generera mycket stabila qubits. Men den här tekniken är i sig svårare att skala upp än supraledande qubits.

Så även om supraledande qubits kan vara framtiden för denna teknik, krävs en förbättring av stabiliteten i deras qubits koherenstid.

Det här är precis vad ett stort forskarlag vid Princeton University just har uppnått. De skapade en typ av supraledande qubitar som kan bibehålla koherens i mer än en millisekund, tre gånger längre än de bästa som någonsin registrerats.

De publicerade sina resultat i Nature¹, under rubriken "Millisekunders livslängder och koherenstider i 2D-transmon-qubitar".

Qubit-koherensgränsen

För att utföra kvantberäkningar behöver en kvantdator upprätthålla "koherens", ett speciellt kvanttillstånd som är extremt sårbart för störningar från omgivningen. Generellt sett tenderar termiskt brus och partikelrörelser att förstöra koherens på nanosekunder.

Under speciella förhållanden, som ultrakalla förhållanden, kan en qubits livslängd vara längre. Men tillräckligt lång koherens är fortfarande en stor begränsning för de flesta kvantdatorer idag, vilket leder till beräkningsfel som inte bara minskar den totala beräkningskapaciteten, utan inte heller lätt kan kompenseras med programuppgraderingar.

Så att avgöra vilket material som kan bibehålla koherens längre är ett viktigt steg framåt som måste tas innan kvantberäkningsindustrin når det kommersiella stadiet.

"Den verkliga utmaningen, det som hindrar oss från att ha användbara kvantdatorer idag, är att man bygger en qubit och informationen varar helt enkelt inte särskilt länge."

Detta är nästa stora språng framåt.”

Andrew Houck, dekanus för teknik vid Princeton

Hur forskare utökade Transmon Qubit-koherens

Forskarna använde samma typ av supraledande qubits som används av företag som Google eller IBM i sina egna kvantdatorer, tRansom-qubitar.

Transmon-qubitar har fördelen att de är högkvalitativa (enkel-qubit-grindfideliteter som överstiger 99.9 %), möjliga att producera i stor skala och med höga koherenstider på 0.1 millisekunder.

Detta är lovande, men koherenstiden är fortfarande för låg.

Så när Princetonforskarna tillkännagav att de lyckats skapa en qubit som varar i genomsnitt 1.68 ms, är detta en enorm förbättring.

Källa: Natur

Detta är en qubit-duration som är 3 gånger längre än den bästa som någonsin skapats i ett labb, och 15 gånger starkare än den som används av privata företag som utvecklar kvantdatorer.

Varför tantal och kisel förbättrar kvantkoherensen

Tantal som ökar koherensen

För att uppnå detta resultat använde forskarna två olika förbättringar av det använda materialet.

Först använde de en metall som kallas tantal som baslager för att hjälpa de ömtåliga kretsarna att bevara energi. Detta beror på att små, dolda ytdefekter i metallen kan fånga och absorbera energi när den rör sig.

Det är särskilt problematiskt när fler qubits läggs till ett chip, den här typen av fel multipliceras till den grad att det blir oanvändbart efter ett visst antal.

Sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) användes för att bekräfta den mycket regelbundna strukturen hos kubiska tantalkristaller.

Källa: Natur

Jämfört med metaller som aluminium har tantal mycket färre defekter och är mycket motståndskraftigt mot hårda rengöringsprocesser som används för att avlägsna föroreningar.

"Man kan blanda tantal i syra, och egenskaperna förändras fortfarande inte."

Faranak Bahrami – Forskning vid Princeton University

Att odla tantal direkt på kisel var en utmaning som krävde omfattande ansträngningar att övervinna.
Svep för att skrolla →

Kisel ersätter safir

En annan källa till energiförlust som leder till förlust av koherens är safirsubstratet som används i kvantchips.

Istället använde forskarna högkvalitativ (högresistiv) kisel, ett vanligt standardmaterial inom den traditionella dataindustrin.

Tillsammans gjorde dessa förbättringar av materialen som användes i denna tantal-på-kisel-plattform att de resulterande en-qubit-grindarna uppnådde 99.994 % återgivningskvalitet.

Från genombrott i laboratoriet till skalbara kvantchips

Forskarna fortsatte med att använda sin metod för att bygga ett fullt fungerande kvantchip som överträffar alla tidigare designer.

Eftersom felfrekvensen är multiplikativ skalas denna typ av förbättring exponentiellt med systemstorleken. Som ett resultat har 10–15-faldig förbättring av felfrekvensen för enskilda qubitar en mycket större effekt på en dator med flera qubitar.

Viktigt är att en sådan qubit inte är ett exotiskt nytt koncept, utan helt enkelt en "traditionell" supraledande qubit som använder ett annat material, så de kan enkelt integreras i befintliga kvantdatorer och användas av befintlig kvantberäkningsprogramvara.

”Att byta ut Princetons komponenter mot Googles bästa kvantprocessor, kallad Willow, skulle göra att den skulle fungera 1 000 gånger bättre.”

Fördelarna med Princeton-qubiten växer exponentiellt i takt med att systemstorleken ökar, så att lägga till fler qubitar skulle ge ännu större fördelar.”

Andrew Houck, dekanus för teknik vid Princeton

Det här innebär att Princetons design skulle kunna göra det möjligt för en hypotetisk dator på 1 000 qubit att fungera ungefär 1 miljard gånger bättre.

Ännu bättre är att användningen av tantal och kisel innebär att tillverkningsmetoden passar de som redan används av halvledarindustrin, vilket gör massproduktion till en mycket enklare milstolpe att nå än en helt ny teknik.

Denna forskning tycks indikera att kiselkvantchips, som vi diskuterade tidigare, är sannolikt rätt riktning för kvantberäkningsindustrin.

Tillsammans med bättre kvantljuskällor, hybrida kvantfotoniska chipsoch möjligheten att bära kvantinformation tillsammans med normalt telekomdataflöde, dessa steg mot mycket större kvantdatorer visar att tekniken snabbt når kommersiell mognad.

Investera i innovation inom kvantberäkning

1. Alphabet Inc.

Google är mycket aktivt inom kvantberäkning, främst genom sina Google Quantum AI-labb och Quantum AI-campus i Santa Barbara.

Googles kvantdator skrev historia 2019 när de hävdade att de uppnått "kvantöverlägsenhet" med sin Sycamore-maskin. Maskinen utförde en beräkning på 200 sekunder som skulle ha tagit en konventionell superdator 10 000 år.

Detta är nu överskådligt dess senaste chip prestanda, kallad WillowDetta är det allra första kvantberäkningschippet som har en felfrekvens som är tillräckligt låg för att ju fler qubits du lägger till, desto mindre fel får du. Det gör det till den allra första skalbara kvantchipdesignen.

Men kanske kommer Googles största bidrag att ligga inom mjukvara, en verksamhet där de har en imponerande meritlista, faktiskt bättre än inom hårdvara (Sök, G Suite, Android, etc.).

Googles kvant-AI tillhandahåller redan en programvaruuppsättning utformad för att hjälpa forskare att utveckla kvantalgoritmer.

Den förespråkar också öppet för "forskare, ingenjörer och utvecklare att följa med oss ​​på denna resa genom att kolla in vår öppen källkodsprogramvara och utbildningsresurser, inklusive våra ny kurs på Coursera, där utvecklare kan lära sig det väsentliga i kvantfelskorrigering och hjälpa oss att skapa algoritmer som kan lösa framtidens problem."

Tack vare denna öppna strategi är Google nu ledande inom både hårdvara och molnlösningar. Google kan vara ett av de företag som sätter standarden för kvantberäkningsprogramvara och kvantprogrammering, vilket ger dem en privilegierad position att styra områdets framtida utveckling.

Samtidigt kan AI-lösningar, inklusive Waymos självkörande bil, bli den nya intäktsdrivaren för Alphabet, som fortfarande har en massivt dominerande position inom sök- och annonsbranschen.

Du kan läsa mer om Googles icke-kvantrelaterade aktiviteter, särskilt annonser och AI, i vår dedikerade rapport från december 2024.

Senaste aktienyheterna och utvecklingen inom alfabetet (GOOGL)

Studiereferens:

^{1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC et al. Millisekunders livslängder och koherenstider i 2D-transmon-qubitar. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}