Millisekund Qubitar Markerar ett Genombrott i Kvantteknik

Genombrott för supraledande qubits på millisekundnivå

Kvantdatorer kan revolutionera kryptografi och beräkningar av komplexa simuleringar, exempelvis proteiners tredimensionella struktur, och får sannolikt många fler användningsområden som vi i dag bara kan ana.

För att fungera behöver de så stabila ”qubits” som möjligt, kvantberäkningens grundläggande byggsten. Hittills har endast kvantdatorer med fångade joner lyckats skapa mycket stabila qubits, men den tekniken är i grunden svårare att skala än supraledande qubits.

Supraledande qubits kan alltså vara teknikens framtid, men då måste deras koherenstid bli stabilare.

Det är precis vad ett stort forskarlag vid Princeton University nu har åstadkommit. De skapade en typ av supraledande qubit som kan bevara koherensen i mer än en millisekund, tre gånger längre än det tidigare rekordet.

Resultaten publicerades i Nature¹ under titeln ”Livslängder och koherenstider på millisekundnivå i tvådimensionella transmon-qubits”.

Qubitens koherensgräns

För att utföra kvantberäkningar måste en kvantdator upprätthålla ”koherens”, ett särskilt kvanttillstånd som är extremt känsligt för störningar från omgivningen. Värmebrus och partikelrörelser tenderar i allmänhet att förstöra koherensen på nanosekunder.

Under särskilda förhållanden, exempelvis extrem kyla, kan en qubits livslängd bli längre. Tillräckligt lång koherens är ändå en avgörande begränsning för dagens kvantdatorer och orsakar beräkningsfel som både minskar den totala kapaciteten och är svåra att kompensera för med programvara.

Att fastställa vilket material som kan bevara koherensen längre är därför ett viktigt steg som kvantdatorindustrin måste ta innan tekniken når kommersiell användning.

”Den verkliga utmaningen, det som i dag hindrar oss från att ha användbara kvantdatorer, är att man bygger en qubit men informationen består helt enkelt inte särskilt länge.

Detta är nästa stora steg framåt.”

Andrew Houck, dekan för ingenjörsvetenskap vid Princeton

Hur forskarna förlängde transmon‑qubits koherens

Forskarna använde samma typ av supraledande qubits som företag som Google och IBM använder i sina kvantdatorer: transmon-qubits.

Transmon-qubits har fördelen att vara mycket noggranna, med en trohet för enskilda qubitgrindar över 99,9 %, möjliga att masstillverka och kapabla till koherenstider på omkring 0,1 millisekund.

Det är lovande, men koherenstiden är fortfarande för kort.

När Princetonforskarna meddelade att de hade skapat en qubit som i genomsnitt varade i 1,68 ms innebar det därför en mycket stor förbättring.

Källa: Nature

Det är en qubitlivslängd som är tre gånger längre än det tidigare laboratorierekordet och 15 gånger längre än hos de qubits som används av privata kvantdatorföretag.

Varför tantal och kisel förbättrar kvantkoherens

Tantal ökar koherensen

För att nå resultatet gjorde forskarna två olika förbättringar av materialen.

Först använde de metallen tantal som basskikt för att hjälpa de känsliga kretsarna att bevara energi. Små, dolda ytdefekter i metallen kan annars fånga och absorbera energi när den rör sig.

Problemet blir särskilt allvarligt när fler qubits läggs till på ett chip, eftersom den här typen av fel då mångfaldigas tills systemet blir oanvändbart över ett visst antal.

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

Källa: Nature

Jämfört med metaller som aluminium har tantal betydligt färre defekter och tål de kraftiga rengöringsprocesser som används för att avlägsna föroreningar.

”Man kan lägga tantal i syra utan att egenskaperna förändras.”

Faranak Bahrami, forskare vid Princeton University

Att odla tantal direkt på kisel var en utmaning som krävde omfattande arbete att övervinna.

Svep för att rulla →

Kisel ersätter safir

En annan källa till energiförluster och minskad koherens är safirsubstratet som används i kvantchip.

Forskarna använde i stället högkvalitativt kisel med hög resistivitet, ett vanligt standardmaterial i den traditionella datorindustrin.

Tillsammans gjorde dessa materialförbättringar i plattformen med tantal på kisel att de resulterande enskilda qubitgrindarna nådde en trohet på 99,994 %.

Från laboratoriegennombrott till skalbara kvantchip

Forskarna använde sedan metoden för att bygga ett fullt fungerande kvantchip som överträffade alla tidigare konstruktioner.

Eftersom felfrekvensen multipliceras växer effekten av denna förbättring exponentiellt med systemets storlek. En 10–15-faldig förbättring av felfrekvensen för enskilda qubits får därför en mycket större effekt i en dator med många qubits.

Viktigt är också att qubiten inte bygger på något exotiskt nytt koncept, utan är en ”traditionell” supraledande qubit med ett annat material. Den kan därför enkelt integreras i befintliga kvantdatorer och användas med befintlig kvantprogramvara.

”Om Princetons komponenter sattes in i Googles bästa kvantprocessor, Willow, skulle den kunna fungera 1 000 gånger bättre.

Fördelarna med Princeton-qubiten växer exponentiellt med systemets storlek, så fler qubits skulle ge en ännu större förbättring.”

Andrew Houck, dekan för ingenjörsvetenskap vid Princeton

Det innebär att Princetons konstruktion i teorin skulle kunna få en dator med 1 000 qubits att fungera ungefär en miljard gånger bättre.

Ännu bättre är att användningen av tantal och kisel gör tillverkningsmetoden kompatibel med processer som redan används i halvledarindustrin. Massproduktion blir därmed ett betydligt enklare mål än med en helt ny teknik.

Forskningen tyder på att kvantchip av kisel, som vi tidigare har behandlat, sannolikt är rätt väg för kvantdatorindustrin.

Tillsammans med bättre kvantljuskällor, hybrida kvantfotoniska chip och möjligheten att överföra kvantinformation tillsammans med vanlig telekomdata visar stegen mot mycket större kvantdatorer att tekniken snabbt närmar sig kommersiell mognad.

Investera i innovation inom kvantdatorer

1. Alphabet Inc.

Google är mycket aktivt inom kvantdatorer, främst genom sitt Google Quantum AI-laboratorium och sitt Quantum AI-campus i Santa Barbara.

Googles kvantdator skrev historia 2019 när företaget hävdade att Sycamore-maskinen hade uppnått ”kvantöverlägsenhet”. Den utförde på 200 sekunder en beräkning som skulle ha tagit en konventionell superdator 10 000 år.

Detta har nu överträffats med bred marginal av prestandan hos företagets senaste chip, Willow. Det är det första kvantchipet med så låg felfrekvens att felet minskar när fler qubits läggs till, vilket gör det till den första skalbara kvantchipkonstruktionen.

Googles största bidrag kan dock komma från programvaran, ett område där bolaget har ett imponerande facit som faktiskt är bättre än inom hårdvara, med produkter som Search, G Suite och Android.

Google Quantum AI erbjuder redan en programsvit som hjälper forskare att utveckla kvantalgoritmer.

Google uppmanar också öppet ”forskare, ingenjörer och utvecklare att följa med på resan genom att utforska vår programvara med öppen källkod och våra utbildningsresurser, inklusive vår nya kurs på Coursera, där utvecklare kan lära sig grunderna i kvantfelkorrigering och hjälpa oss skapa algoritmer som kan lösa framtidens problem.”

Tack vare det öppna arbetssättet leder Google nu utvecklingen både inom hårdvara och molnlösningar. Bolaget kan bli en av de aktörer som sätter standarderna för kvantprogramvara och kvantprogrammering och får därmed en stark position att styra områdets framtida utveckling.

Samtidigt kan AI-lösningar, däribland Waymos självkörande bilar, bli en ny intäktsmotor för Alphabet (GOOG ), som fortfarande har en mycket dominerande ställning inom sökningar och annonsering.

Du kan läsa mer om Googles verksamhet utanför kvantområdet, särskilt annonsering och AI, i vår särskilda rapport från december 2024.

Senaste nyheter och utveckling för Alphabet (GOOGL)-aktien

Refererad studie:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Livslängder och koherenstider på millisekundnivå i tvådimensionella transmon-qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}