Kvantberäkning: Ny smart förstärkare sparar energi

A team of researchers from Chalmers University of Technology in Sweden introduced a smart amplifier system that enables quantum computers to maximize their qubit data. The upgrade would help future devices scale up to meet the growing demand for AI-centric computer systems moving forward. Here’s how engineers used qubit amplifiers to boost quantum computer performance.

Kvantdatorer

Det har nyligen pratats mycket om kvantdatorer. Dessa enheter, som först uppfanns 1998, använder qubitar istället för traditionella databit. Den första kvantdatorn var en 2‑qubit kärnmagnetisk resonans (NMR) kvantdator.

Dess design var revolutionerande eftersom den integrerade kvantmekaniska fenomen som superposition och intrassling för att utföra sina uppgifter. Noterbart kan kvantdatorer överträffa superdatorer och är kapabla att hantera de mest komplexa beräkningarna som människan känner till idag.

Bitar vs Qubitar

Deras kraft kommer från användningen av qubitar istället för bitar. Datorer idag förlitar sig på databit för att fungera. Bitar skickas som 1:or och 0:or med binärkod. Vilken kombination som helst av dessa siffror kan motsvara specifik information för datorer. Binärkod har varit en solid grund för databehandling i årtionden.

Införandet av kvantbitar, eller qubitar, förändrar allt. Genom att använda superposition kan qubitar bära alla värden samtidigt, vilket ger en enorm mängd beräkningskapacitet. Noterbart förlitar sig alla kvantdatorer på speciella enheter som de använder för att tolka kvantdata, kallade förstärkare.

Förstärkare

Förstärkare förstärker känsliga mikrovågor för att öka qubitsignaler. De är en avgörande komponent i kvantdatorsdesignen, där de hjälper till att säkerställa att qubitdata registreras snabbt innan det kvanta tillståndet försvinner.

Begränsningar för kvantdatorer

Det finns vissa begränsningar för kvantdatorer som har bromsat deras antagande. För det första är de extremt dyra att bygga och driva. Dessa enheter måste hållas vid kryogena temperaturer för att stabilisera qubitarna och förhindra någon qubitdekoherens.

Dekohärens kan uppstå av många orsaker, inklusive magnetisk, elektrisk eller värmeinterferens. Den senare är en allvarlig oro eftersom varje förstärkare som läggs till ett kvantdatorsystem också introducerar ytterligare värme- och energikrav. Den minsta temperaturförändring kan leda till att qubitar förlorar sin integritet och blir oanvändbara för beräkningar.

Inuti studien om den smarta förstärkaren

Studien Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout¹, presenterad av ingenjörer från Chalmers tekniska högskola i Sverige, introducerar en ny metod för att skala upp kvantdators prestanda. Den nya metoden bygger på högpresterande qubitar som drivs av en specialbyggd förstärkare och algoritm.

Kvantdatorsystemet använder en modifierad kommersiellt tillgänglig kryogen hybridenhet för att fungera med en smart förstärkare. Den smarta förstärkaren byggdes för att fungera endast när kvantbitar pulserar. Detta tillvägagångssätt innebar många utmaningar som forskarna behövde övervinna för att lyckas.

Källa – Chalmers University of Technology

För det första var teamet tvunget att konfigurera enheten så att den kunde fungera tillräckligt snabbt för att slå på och av mellan qubitpulser. För att utföra denna uppgift skapade ingenjörerna en speciell algoritm. Den optimerade gate‑spänningsvågformsalgoritmen gjorde det möjligt för förstärkaren att fungera med högre noggrannhet. Algoritmen var också avgörande för att minska energiförbrukningen och värmen som enheten genererade.

Till skillnad från traditionella förstärkare som körs kontinuerligt, kräver pulstillämpningen att enheten startas på några millisekunder. Ingenjörerna finjusterade algoritmen för att utföra detta, vilket säkerställde att den smarta förstärkaren aktiverades tillräckligt snabbt för att hålla jämna steg med qubitavläsningen.

Hur den smarta förstärkaren testades

Ingenjörerna utsatte sin nya kvanta smarta förstärkare för flera tester för att säkerställa dess kapacitet och prestandamått. Teamet började med att analysera förstärkarnas återhämtningsbegränsningar. Detta test innebar att registrera enhetens transienta brus och mäta prestanda.

Ingenjörerna behövde säkerställa att dekoherensen var minimal under dessa beräkningar. Därför fick de enheten att utföra flera högnivåberäkningar, där de registrerade allt brus som producerades när systemet kördes nära.

Specifikt använde teamet en kryogen tidsdomänbrusmätningsuppställning med 5‑ns tidsupplösning. Därifrån förbättrade forskarna noggrannheten genom att hålla den uppmätta brusstandardavvikelsen (SD) under 0,3 K.

Det nästa testet mätte tidsdomänbruset och förstärkningsprestanda som svar på en fyrkantig gate‑spänningsvågform. Detta var en av de svåraste delarna i deras arbete eftersom qubitar pulserar på nanosekunder, vilket gör tidtagning och registrering av deras uppkomst till en utmanande uppgift.

Slutligen dokumenterade teamet dräneringsströms transienta värden, vilket gjorde det möjligt att beräkna den genomsnittliga energiförbrukningen för den pulsbetrivna smarta förstärkaren. Systemet tog hänsyn till alla energikrav, inklusive energiförluster under pulsbearbetning.

Resultat för smart förstärkare: Snabbare, Kallare, Bättre

Testresultaten för den smarta förstärkaren är imponerande jämfört med föregångare. Intressant nog representerar studien den första framgångsrika demonstrationen av lågbrussemiconductorförstärkare för kvantavläsning i pulsbearbetning, vilket öppnar dörren för framtida innovationer.

Noterbart tidsatte ingenjörerna förstärkaren för att se hur snabbt den kunde svara på qubitar. Enheten har en svarstid på 35 nanosekunder vid mätning av qubitarna. De noterade också att förstärkaren producerade betydligt mindre värme och störningar under sin arbetscykel, vilket resulterade i renare signalmottagning.

Gruppen bevisade att deras pulsbearbetning minskade energiförbrukningen utan att minska prestandan. Tidigare ledde tillägg av förstärkare till att mer energi användes av systemet. Det var först när dessa forskare tog sig tid att studera och skapa en pålitlig pulsalogoritm som förstärkarens prestanda och energiförbrukning kunde framgångsrikt separeras.

Viktiga fördelar med den smarta förstärkaren

Det finns en lång lista med fördelar som den smarta förstärkaren ger till marknaden för kvantdatorer. För det första kan den visa sig vara avgörande i utvecklingen av högpresterande och lågenergikvantdatorer. Dessa system skulle erbjuda en pålitlig och effektiv struktur för storskaliga tillämpningar.

Ökad känslighet

Den smarta förstärkaren levererar mer exakta och känsliga avläsningar av qubitdata tack vare sin pulslayout. Algoritmen säkerställer att enheten endast är i drift när qubitarna är aktiva. Den representerar den mest känsliga förstärkaren som någonsin byggts med transistorer, vilket markerar en viktig milstolpe inom kvantdatorssektorn.

Mycket effektiv prestanda

Designen ger också fördelen med energieffektivitet. Denna pulslayout minskar den genomsnittliga energiförbrukningen med upp till cirka 85–90 % jämfört med kontinuerlig drift. Denna effektivitet är avgörande för designen eftersom AI‑protokoll, som kvantdatorer kommer att köra, också kräver mycket energi för att fungera.

Låg värmeproduktion

En annan fördel med den pulssmarta förstärkaren är att den genererar betydligt mindre värme än sina föregångare. Den nya enheten kommer att möjliggöra att de kryogena kamrar som kvantdatorer behöver för att fungera kan drivas med mindre ansträngning. Dessutom öppnar det dörren för att dessa enheter kan bli mindre och integreras i fler enheter i framtiden.

Verkliga tillämpningar och utrullningstidslinje

Det finns en lång lista med verkliga tillämpningar för höggradigt effektiva förstärkare. Den uppenbara användningen är att uppgradera kvantdatorer och hjälpa till att göra dem mer tillgängliga för allmänheten. Snart kommer kvantdatordatacenter att erbjuda högpresterande beräkningskapacitet till massorna via molntjänster. Därifrån bör tekniken så småningom bli prisvärd för den genomsnittliga personen.

Det kan ta över 10 år innan du får använda en kvantdator som drivs av en smart förstärkare. Det finns fortfarande många kostnadsbegränsningar för dessa enheter, såsom behovet av att drivas med kryogena kamrar. Men inom de kommande fem åren kommer molnbaserade kvantdatorstjänster att börja få fart.

Läkemedelsutveckling

Kvantdatorer som driver avancerade AI‑algoritmer kommer att revolutionera det medicinska området. Redan spelar AI‑system en viktig roll i utvecklingen av läkemedel och behandlingar. Under de kommande åren kommer högpresterande kvantdatorer att hjälpa till att förbättra testning och skapande av nya läkemedel utan användning av försöksdjur.

Kryptering

Krypteringssektorn kommer att se stora förändringar när kvantdatorer tas i bruk. Dessa enheter kommer att ha tillräckligt med kraft för snabbt att förstöra alla vanliga datorbaserade säkerhetsprotokoll. Som sådan kommer dessa enheter att visa sig vara avgörande för att säkra framtida datasystem och förhindra storskaliga dataintrång eller hack.

Driva morgondagens AI

Det bästa användningsfallet för smarta förstärkare är att skapa kvantdatorer för att driva framtida AI‑system. AI‑protokoll är bara så bra som deras träning och datamängder. Kvantdatorer skulle kunna utnyttja enorma datamängder och komma åt arkiverad information från dem på rekordtid. Detta tillvägagångssätt skulle möjliggöra att dessa system utför massiva och komplexa beräkningar på sekunder.

Logistik

Logistiksektorn är en annan plats där kvantdatorer kan glänsa. Logistikmarknaden representerar biljoner varor som reser över hela världen dagligen. Införandet av IoT‑enheter (Internet of Things) och AI har hjälpt till att förbättra spårbarheten.

Dock har dessa system inte kraften att hålla jämna steg med det växande antalet sensorer och andra indata som skapas under en produkts resa. Kvantdatorer skulle kunna stödja framtida logistiksystem. Möjliggör realtidsförbättringar av effektiviteten över massiva nätverk.

Forskare i studien om den smarta förstärkaren

Studien om den smarta förstärkaren presenterades av ett team av forskare vid Chalmers tekniska högskola i Sverige. Studien listar Yin Zeng och Maurizio Toselli som huvudförfattare till arbetet. Den visar också stöd från Jörgen Stenarson, Peter Sobis och Jan Grahn, professor i mikrovågelektronik vid Chalmers.

Finansiering för projektet kom från Vinnova-programmet Smarter electronic systems och Chalmers Centre for Wireless Infrastructure Technology (WiTECH).

Framtiden för studien om den smarta förstärkaren

Forskarna ser sitt arbete som grunden för framtida utveckling. De hoppas fortsätta sina studier av högpresterande qubitförstärkare och strävar efter att göra enheten enklare att integrera i framtida kvantdatorchips.

Investera i kvantdatorer

Kvantdatorindustrin har flera högprofilerade aktörer som tävlar om titeln. Dessa företag har investerat miljontals i att skapa högpresterande enheter som kan utföra beräkningar på en nivå som till och med superdatorer aldrig kan uppnå. Här är ett företag som fortsätter att erbjuda livskraftiga lösningar för marknaden.

Nvidia

När du tänker på Nvidia (NVDA ) föreställer du dig sannolikt högefterfrågade GPU:er. Företaget har säkrat ett rykte som en ledande leverantör av dessa enheter, som är kritiska för högkvalitativ grafik och kryptomining.

Det de flesta inte vet är att Nvidia också spelar en avgörande roll på kvantdatormarknaden, där de tillhandahåller hårdvara och tjänster till tillverkare. Företagets senaste produkter inkluderar NVIDIA DGX Quantum.

Detta högpresterande system och referensarkitektur designades specifikt för att stödja kvant‑klassisk beräkning. Produkten byggdes i samarbete med en annan stor aktör i sektorn, Quantum Machines.

Noterbart fortsätter Nvidia med forskning och utveckling av Quantum Processing Units (QPUs) och strävar efter att bli den föredragna hårdvarulösningen för framtida system. Om företaget kan utnyttja sin position och försprång som förstörande aktör, kan det leda till att företaget uppnår marknadsdominans, liknande deras framgångar inom grafikkortssektorn.

Den som söker exponering mot flera högteknologiska sektorer, inklusive AI, grafik, spel och kvantdatorer, bör göra mer research om Nvidia. Företaget har säkrat ett rykte som en kvalitetsleverantör av hårdvara. Framöver hoppas de lägga den infrastruktur som behövs för att driva morgondagens högpresterande datorsystem.

Senaste nyheter och utveckling för Nvidia (NVDA) aktie

Slutliga tankar: Ett steg närmare skalbar kvantteknik

Studien om den smarta förstärkaren introducerade ett pålitligt sätt att göra världens mest kraftfulla datorer ännu snabbare. Dessutom minskar enheten energiförbrukningen, vilket gör den idealisk för användning i hållbara system. Alla dessa faktorer gör den smarta förstärkaren till en spelväxlare som kan hjälpa till att inleda en ny era av ultrakraftfulla datorer.

Läs om andra kvantdatorutvecklingar här.

Studier refererade:

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