Ang Quantum Computing ay Umusad nang Malaki sa Pamamagitan ng Advanced na Teknolohiyang Superconducting

Isang umuusbong na teknolohiya, ang quantum computing ay gumagamit ng mga batas ng quantum mechanisms upang lutasin ang mga komplikadong problema na lagpas sa kakayahan ng tradisyunal na mga computer. 

Ang mga quantum computer na ito ay nag-iimbak ng impormasyon sa mga qubit (o quantum bits). Hindi tulad ng mga klasikong bit, ang mga qubit ay maaaring umiiral lampas sa binary na estado ng 0 at 1 at, dahil dito, makakagawa ng mga kalkulasyon nang mas mabilis. 

Bukod pa rito, ang mga qubit na ito ay may iba’t ibang anyo, kabilang ang trapped-ion qubits, na gumagamit ng mga may kargang ion o atom; photonic qubits, na gumagamit ng mga particle ng liwanag; at superconducting qubits, na isang circuit loop na may elektrikal na kuryente na dumadaloy sa paligid nito.

Bilang bahagi ng ‘solid-state’ na quantum computation, unang naipakita ang superconducting qubits noong 1999. Mula noon, naging isa ito sa mga pangunahing anyo ng teknolohiyang qubit, na nag-aalok ng mga benepisyo tulad ng nabawasang enerhiya na nawawala, mababang resistensya, nabawasang decoherence, scalable na quantum circuits, mabilis na operasyon ng qubit, matatag na mga estado ng qubit, mataas na katapatan sa kontrol ng qubit, at error correction.

Sa nakalipas na dekada, ang superconducting quantum computing ay naging popular na opsyon para sa pagbuo ng mga functional na quantum computer, at ang patuloy na pananaliksik ay nagdadala sa atin nang mas malapit sa paggawa nitong realidad.

Mga Kamakailang Pagsulong sa mga Materyales ng Superconductor

Sa linggong ito lamang, isang pangkat ng mga mananaliksik ang naglathala ng pag-aaral sa Science Advances tungkol sa pag-develop ng bagong materyal ng superconductor para sa quantum computing.

Ang bagong materyal ng superconductor ay kandidato para sa isang “topological superconductor,” na isang uri na gumagamit ng butas o delocalized na estado ng electron upang magdala ng quantum information at magproseso ng data.

Ang physicist na si Peng Wei mula sa University of California ang nanguna sa isang pangkat ng mga mananaliksik na nagsanib ng trigonal tellurium, isang non-magnetic na materyal na hindi maaaring maipuwersa sa kanyang salamin na imahe, kasama ang isang surface state superconductor na nabuo sa ibabaw ng manipis na pelus ng ginto.

Ang kombinasyong ito lumikha ng 2D interface superconductor na may pinahusay na spin polarization, na nagpapahintulot sa mga excitations na potensyal na magamit upang lumikha ng isang matatag na spin qubit. Ang makabagong materyal ng superconductor na ito ay may potensyal na baguhin ang scalability at pagiging maaasahan ng mga komponent ng quantum computing.

“Sa pamamagitan ng paglikha ng napakalinis na interface sa pagitan ng chiral na materyal at ginto, nakabuo kami ng two-dimensional interface superconductor. Ang interface superconductor ay natatangi dahil ito ay nabubuhay sa isang kapaligiran kung saan ang enerhiya ng spin ay anim na beses na mas pinahusay kaysa sa mga nasa tradisyunal na superconductors.”

– Wei, isang associate professor ng physics at astronomy

Sa ilalim ng magnetic field, ang materyal ay higit pang nakita na nagkakaroon ng transition, na nagpapahiwatig ng paggamit nito bilang triplet superconductor, na maaaring magdulot ng mas matibay na mga komponent ng quantum computing. Sa madaling salita, ito ay naging mas matibay sa mataas na magnetic field kaysa sa mababang magnetic field. 

Higit pa rito, sa pamamagitan ng paggamit ng non-magnetic na mga materyales para sa mas malinis na mga interface, ang bagong teknolohiyang ito ay natural na nagpapababa ng mga pinagmumulan ng decoherence, na isang hamon sa quantum computing.

Ipinakita din ng mga mananaliksik ang kakayahan ng superconductor na gawing top-quality low-loss microwave resonators, na mga kritikal na komponent ng quantum computing. Bilang resulta, maaari itong magdulot ng low-loss superconducting qubits. 

Dahil ang pagbawas ng decoherence o pagkawala ng quantum information sa isang qubit system ay ang pinakamalaking hamon sa quantum computing, makakatulong ang pananaliksik na ito na makabuo ng mas scalable at maaasahang mga komponent ng quantum computing. Ayon kay Wei:

“Naabot namin ito gamit ang mga materyales na isang order ng magnitude mas manipis kaysa sa karaniwang ginagamit sa industriya ng quantum computing.”

Ang mga microwave resonator na ito ay may quality factor na umaabot sa 1 milyong.

Isang linggo bago ito, isang pangkat na pinamunuan ng UCLA ang naglathala rin ng pag-aaral na nagpakita ng bagong materyal na may pangako para sa quantum computing. 

Ang materyal ay nagpanatili ng kanyang superconducting properties sa mas mataas kaysa karaniwang magnetic fields at nagpakita ng superconducting diode effect. Ang effect na ito, na nagpapahintulot ng mas maraming kuryente na dumaloy sa isang direksyon, ay karaniwang nakikita sa mga chiral superconductors at bihirang nakikita sa tradisyunal na superconductors.

Upang magdulot ng chiral na pag-uugali sa isang conventional superconductor, lumikha ang mga mananaliksik ng chiral molecular layer at isang layered structure gamit ang 2D material na tantalum disulfide (TaS2).

Ipinakita ng pag-aaral na ito ang potensyal na mapabuti ang kahusayan at katatagan ng quantum computing at gawing mas mabilis at mas energy-efficient ang tradisyunal na electronics.

Mga Inobasyon sa Kontrol ng Qubit at Scalability

Sa kakayahan ng mga quantum computer na “drastically change the world,” nagkaroon ng pandaigdigang karera upang makabuo ng praktikal na quantum computer.

Gayunpaman, isa sa pinakamalaking hamon na humahadlang sa paglago ng mga quantum computer ay ang scalability, na nangangahulugang dapat sapat na laki ang mga computer upang harapin ang mga totoong problema. Upang magkaroon ng quantum computer na kayang harapin ang kapaki-pakinabang na mga problema, kailangan natin ng mas maraming qubit o isang maaasahang paraan upang mabawasan ang mga error na nalilikha sa panahon ng mga kalkulasyon.

Kaya, sinubukan ng mga mananaliksik sa Japan na harapin ang problema sa pamamagitan ng pagtaas ng kayang pamahalaang bilang ng mga qubit at pagbawas ng kinakailangang bilang ng mga qubit.

Ilang buwan na ang nakalipas, matagumpay na ipinakita ng mga mananaliksik ang isang superconducting circuit na maaaring kontrolin ang maraming qubit sa mababang temperatura.

Sa eksperimentong ito, isang superconducting circuit ay ipinakita na kontrolin ang maraming qubit sa pamamagitan lamang ng isang cable gamit ang microwave multiplexing. Ang circuit ay may potensyal na mapabuti ang density ng microwave signals bawat cable ng halos 1,000x. Ang tagumpaling ito ay maaaring malaki ang pagtaas ng bilang ng mga kontrolableng qubit at mag-ambag sa pag-develop ng malakihang quantum computers.

Upang mabawasan ang hardware na kinakailangan sa pagitan ng mga qubit at mga room-temperature electronics, isang makabagong ‘cryo-electronics’ ang binuo. Ang ‘cryo-electronics’ ay mga electronics para sa kontrol at readout ng qubit na gumagana sa cryogenic na temperatura malapit sa mga qubit. 

Napatunayan din na ang cryo-electronics ay gumagana sa mataas na bilis ng clock frequency sa apat na degree higit sa absolute zero. Ngayon, ang pokus ay ang pagbawas ng konsumo ng enerhiya upang mabawasan ang init na nalilikha sa tabi ng mga qubit.

Isa pang pokus ng mga mananaliksik sa Japan ay ang paghahanap ng mga paraan upang itama ang mga error sa pagproseso. Sa gitna nito, ang mga mananaliksik mula sa Princeton University ay nag-develop ng isang teknik sa paggawa para sa error‑free na quantum computing.

Sa pananaliksik na ito, lumikha ang mga siyentipiko ng isang superconducting layer sa ibabaw ng isang topological insulator, tungsten ditelluride (WTe2). Ang teknik ay gumamit ng ‘seed’ ng deposited metal (palladium) sa ibabaw ng insulator upang bumuo ng bagong crystalline structure, Pd7WTe2, na nagpakita ng zero resistance.

Ang atom-spreading technique ay matagumpay na gumagana sa iba’t ibang sangkap, kabilang ang molybdenum ditelluride (MoTe2).

Bagaman kailangan pa ng karagdagang pagsusuri upang matukoy kung ito ay isang topological superconductor, naniniwala ang mga mananaliksik na maaaring lumikha ng mga bagong superconductor sa pamamagitan ng kanilang pangkalahatang pamamaraan.

Pagtugon sa Decoherence at Pagpapabuti ng Performance

Isang karagdagang breakthrough sa quantum computing ang naganap nang mas maaga ngayong taon nang magpakilala ang mga mananaliksik ng bagong pamamaraan sa superconducting circuits. Ang pamamaraang ito ay may potensyal na malaki ang pagpapahaba ng runtime ng isang quantum computer.

Tulad ng aming nabanggit, ang patuloy na operasyon ng ganitong computer ay napuputol dahil sa kung gaano kadaling ma-destabilize ang quantum state ng isang qubit. Tinatawag itong decoherence at nagdudulot ng mga error sa mga kalkulasyon. Nangyayari ito dahil sa mga interaksyon sa ibang mga qubit at sa kanilang kapaligiran.

At dahil ang superconducting qubits ay nagpapahintulot ng paglipat sa pagitan ng iba’t ibang estado sa pinakamabilis na oras, sila ay sentro ng lumalawak na pananaliksik. Ngunit habang napapabuti nila ang switching time, mas madaling sila maapektuhan ng decoherence sa loob lamang ng ilang milisegundo.

Kaya, isang internasyonal na grupo ng mga mananaliksik ang nagmungkahi ng disenyo ng Josephson junction, na tinatawag na “flowermon.” Ang disenyo ay gumagamit ng dalawang one-atom-thick cuprate flakes, isang superconducting material na base sa copper.

“Ang flowermon ay nagmomodernisa ng lumang ideya ng paggamit ng unconventional superconductors para sa protektadong quantum circuits at pinagsasama ito sa mga bagong teknik sa paggawa at bagong pag-unawa sa coherence ng superconducting circuit.”

– Uri Vool, isang physicist sa Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids sa Germany

Ayon sa mga kalkulasyon ng koponan, ang kanilang disenyo ay maaaring magpababa ng ingay at, bilang resulta, mapataas ang coherence time ng mga qubit ng ilang order ng magnitude. Gayunpaman, ito ay purong teoretikal, at plano ng koponan na gamitin ang mga resulta nito upang i-optimize ang superconducting qubits sa susunod.

Upang tugunan ang performance ng mga quantum computer, noong nakaraang taon, isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa University of Minnesota Twin Cities ang nag-develop ng isang tunable superconducting diode na hindi lamang makakatulong sa pag-scale up ng mga quantum computer kundi pati na rin sa pagpapabuti ng mga artificial intelligence system. 

Ang diode ay isang aparato na nagpapahintulot ng daloy ng kuryente sa isang direksyon. Karaniwang ginagawa ito gamit ang semiconductors, ngunit sinisiyasat ng mga mananaliksik ang paggawa ng mga diode gamit ang superconductors, na nagpapahintulot ng paglipat ng enerhiya nang walang pagkawala ng anumang kapangyarihan.

Ang senior research author na si Vlad Pribiag, na isang associate professor sa University of Minnesota School of Physics at Astronomy, nagsabi:

“Nais naming gawing mas makapangyarihan ang mga computer, ngunit may ilang matitinding limitasyon na malalampasan namin sa lalong madaling panahon gamit ang aming kasalukuyang mga materyales at mga pamamaraan sa paggawa.”

Ang pinakamalaking hamon sa pagpapalakas ng computing power ay ang pag-dissipate ng enerhiya, kaya pinili ng koponan na gumamit ng superconducting technologies.

Ang superconducting diode device ay ginawa gamit ang tatlong Josephson junctions. Habang ginawa ito sa pamamagitan ng pag-sandwich ng mga piraso ng non-superconducting material sa gitna ng mga superconductor, ikinonekta ng mga mananaliksik dito ang mga superconductor sa mga layer ng semiconductors. 

Ang natatanging disenyo na ito ay nagbigay-daan sa mga mananaliksik na kontrolin ang pag-uugali ng device gamit ang boltahe. Maaari rin nitong iproseso ang maraming electrical signals nang sabay, hindi tulad ng karaniwang mga diode, na kayang mag-handle lamang ng isang input at output bawat isa. Ang mga tampok na ito ay maaaring magdala sa superconducting diode na magamit pa sa brain-inspired na neuromorphic computing.

Sa neuromorphic computing, dinisenyo ang mga electrical circuit upang tularan kung paano gumagana ang mga neuron sa utak ng tao upang mapabuti ang performance.

Ayon kay Mohit Gupta, ang unang may-akda ng papel, ang bagong superconducting diode na ito ay mas energy efficient kaysa sa ibang superconducting diodes. Mas partikular, sa unang pagkakataon, ito ay may kasamang serye ng mga gate upang kontrolin ang daloy ng enerhiya. Ang tampok na ito ay hindi pa nailalagay sa isang superconducting diode noon, ngunit ipinakita ng pag-aaral na “maaari kang magdagdag ng mga gate at mag-apply ng electric fields upang i-tune ang effect na ito.”

Higit pa rito, ang materyal na ginamit sa pananaliksik na ito ay mas industry-friendly at kayang maghatid ng mga bagong functionality.

Ang teknik na ginamit sa pag-aaral na ito ay maaaring higit pang magamit sa anumang superconductor, na ginagawa itong lubos na flexible at compatible sa mga aplikasyon ng industriya. Ang mga katangiang ito ay makakatulong sa pag-scale up ng pag-develop ng mga quantum computer para sa mas malawak na paggamit.

“Sa kasalukuyan, lahat ng quantum computing machines ay napaka-basic kumpara sa pangangailangan ng mga real-world na aplikasyon. Kinakailangan ang scaling up upang magkaroon ng computer na sapat ang lakas upang harapin ang kapaki-pakinabang, komplikadong mga problema.”

– Pribiag

Ito ay may espesyal na kahalagahan ngayon habang ang paggamit ng AI ay lumalago nang malaki. Ito ay nagdala sa mga tao na magsaliksik ng mga algorithm para sa mga computer o AI machine na maaaring higitan ang performance ng mga klasikong computer. Ayon kay Pribiag, ang pag-aaral na ito ay nagde-develop ng hardware upang payagan ang mga quantum computer na ipatupad ang mga algorithm na ito. 

Ang pananaliksik ay pangunahing pinondohan ng United States Department of Energy na may bahagyang suporta mula sa National Science Foundation at Microsoft Research.

Pagpapaliit ng Qubits Gamit ang 2D Materials Nang Hindi Nakakaapekto sa Performance

Ang patuloy na pananaliksik at pag-develop ay nagdala sa mga siyentipiko na magtayo ng superconducting qubits na mas maliliit kaysa sa karaniwang qubits. Ang mga superconducting qubit na ito ay ginawa gamit ang 2D materials.

Upang malampasan ang bilis at kapasidad ng mga klasikong computer, kailangang magkapareho ng wavelength ang mga qubit ng quantum computer. Upang makamit ito, kadalasang kailangang isakripisyo ng mga mananaliksik ang laki ng mga qubit na kahit ngayon ay sinusukat sa milimetro, hindi tulad ng kanilang klasikong katapat, kung saan ang mga transistor ay napaliit na hanggang nanometer.

Upang mabawasan ang laki ng mga qubit upang hindi magkaroon ng malaking pisikal na bakas habang pinananatili ang kanilang performance, ipinakita ni James Hone, isang Wang Fong-Jen Professor of Mechanical Engineering sa Columbia University, ang isang napakaliit na superconducting qubit capacitor.

Dati, gumamit ang mga inhinyero ng planar capacitors upang bumuo ng qubit chips. Dito, ang mga charged plates ay inilagay magkatabi, at habang maaari silang i-stack upang makatipid ng espasyo, ito ay makakaapekto sa pag-iimbak ng impormasyon ng qubit.

Kaya, ang mga PhD student ni Hone na sina Anjaly Rajendra at Abhinandan Antony ay nag-sandwich ng isang insulating layer ng boron nitride sa pagitan ng dalawang charged plates ng superconducting niobium diselenide. Isang atom lamang ang kapal, ang mga layer na ito ay pinagbuklod ng van der Waals forces, isang mahinang interaksyon sa pagitan ng mga electrostatic forces. 

Ang mga capacitor ay pinagsama pagkatapos sa mga aluminum circuit upang lumikha ng isang chip. Ang chip na ito ay may dalawang qubit at may kapal lamang na 35 nanometers, 1,000 beses na mas maliit kaysa sa mga ginawa gamit ang tradisyunal na pamamaraan.

Kapag pinalamig, nagkaroon ang mga qubit ng parehong wavelength. Napansin din na sila ay nag-entangle at kumilos bilang isang yunit. Ang quantum coherence na ito, bagaman panandalian lamang (mahigit isang microsecond), ay nangangahulugang ang quantum state ng qubit ay maaaring manipulahin at basahin gamit ang mga electrical pulse. Ayon kay Hone:

“Alam na natin ngayon na ang 2D materials ay maaaring maglaman ng susi upang gawing posible ang mga quantum computer. Maaga pa lamang ito, ngunit ang mga natuklasan tulad nito ay mag-uudyok sa mga mananaliksik sa buong mundo na isaalang-alang ang mga bagong aplikasyon ng 2D materials. Inaasahan naming makakita ng mas marami pang gawain sa direksyong ito sa hinaharap.”

Dahil sa kanilang natatanging estruktura, ang two-dimensional (2D) quantum materials ay nagmarka ng isang makabuluhang breakthrough sa materials science. Hindi tulad ng 3D materials, ang 2D quantum materials ay isang o ilang atom lamang ang kapal, at maaaring gumalaw ang mga electron sa lahat ng tatlong direksyon.

Kabilang sa ilang popular na 2D materials ang Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs), at Hexagonal Boron Nitride (h-BN).

Habang ang mga materyal na ito ay nag-aalok ng iba’t ibang katangian at potensyal para sa mga transformative na aplikasyon ng teknolohiya, humaharap sila sa mga hamon sa synthesis, integration, at scalability na kailangang malampasan bago maabot ang kanilang buong potensyal.

Mga Pangunahing Kumpanya na Nangunguna sa Rebolusyon ng Quantum Computing

Ngayon, tingnan natin ang ilang kilalang kumpanya na kasangkot sa superconductors at quantum computing:

#1. Alphabet (Google)

Ang Alphabet ay malaki ang pamumuhunan sa pananaliksik ng quantum computing sa pamamagitan ng subsidiary nitong Google Quantum AI. Ang dibisyon ay lumikha ng isang superconducting quantum processor na tinatawag na Sycamore, na noong 2019, ay nakagawa ng isang kalkulasyon sa loob ng 200 segundo na kung hindi ay aabutin ng 10,000 taon kahit para sa isang malakas na supercomputer. Mula noon, ang Sycamore quantum processor ay lumago nang malaki at now holds 70 qubits, na ginagawa itong 241 milyong beses na mas matibay kaysa sa naunang modelo nito.

Ang tech giant ay may market cap na $2.06 trilyon, at ang mga shares nito (GOOGL:NASDAQ) ay nagte-trade sa $165.68, tumaas ng 18.56% YTD. Para sa Q2 2024, iniulat ng Alphabet ang 28.6% pagtaas ng net income nito sa $23.6bn, habang ang kabuuang kita ay tumaas ng 14% sa $84.74bn. Inanunsyo rin ng magulang ng Google ang cash dividend na $0.20 kada share.

#2. NVIDIA Corporation

Ang NVIDIA ay nag-eexplore ng quantum computing at superconductors sa pamamagitan ng mga partnership at kolaborasyon. Noong Marso ngayong taon, inanunsyo ng kumpanya ang pagpapabilis ng kanilang quantum computing efforts sa mga national supercomputing sites sa Germany, Japan, at Poland gamit ang open-source NVIDIA CUDA-Q™ platform.

Ang AI darling ng merkado, ang mga stock ng NVIDIA ay nagkaroon ng mahusay na taon, na pinatunayan ng kanilang 161.24% pagtaas sa 2024 hanggang ngayon. Ang pagtaas na ito ay nagdala sa NVDA shares na nagte-trade sa $129.45, na naglagay ng market cap ng kumpanya sa $3.188 trilyon. Iniulat ng chipmaker ang rekord na Q1 ng 2024, na may revenue na $22.1bn.

Konklusyon

Kaya, ang mga mananaliksik, organisasyon, at kumpanya sa buong mundo ay nagtatrabaho sa pagpapalago ng quantum computing, na mahusay sa paglutas ng komplikadong mga problema. Ang pokus sa superconducting technology, partikular, ay tumutulong maghatid ng makabuluhang pag-unlad at nagdadala sa atin nang mas malapit sa pagkamit ng buong potensyal ng makabagong teknolohiyang ito. 

I-click dito upang matuto tungkol sa kasalukuyang kalagayan ng quantum computing.