Mga Millisecond Qubit Nagmamarka ng Pagsulong sa Quantum Tech

Pagtagumpayan sa Millisecond-Scale Superconducting Qubits

Maaaring baguhin ng mga quantum computer ang paraan ng ating pagganap ng cryptography, pagkwenta ng kumplikadong simulation tulad ng 3D na konfigurasyon ng mga protina, at marahil marami pang iba pang aplikasyon na halos hindi pa natin nahuhulaan ngayon.

Upang gumana, kailangan nila ng pinakamataas na posibleng katatagan ng mga “qubit”, ang pangunahing elemento ng quantum computation. Sa ngayon, tanging mga “trapped ion” na quantum computer lamang ang nakagawa ng lubos na matatag na mga qubit. Ngunit mas mahirap i-scale up ang teknolohiyang ito kumpara sa mga superconducting qubit.

Kaya habang maaaring maging kinabukasan ng teknolohiyang ito ang mga superconducting qubit, kinakailangan ang pagpapabuti sa katatagan ng coherence time ng kanilang mga qubit.

Ito mismo ang naabot ng isang malaking pangkat ng mga mananaliksik sa Princeton University. Lumikha sila ng uri ng superconducting qubit na maaaring panatilihin ang coherence nang higit sa isang millisecond, 3 beses na mas mahaba kaysa sa pinakamagandang naitala kailanman.

Inilathala nila ang kanilang mga natuklasan sa Nature¹, sa pamagat na “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.

Ang Hangganan ng Qubit Coherence

Upang magsagawa ng quantum computation, kailangan ng isang quantum computer na mapanatili ang “coherence”, isang espesyal na quantum state na lubhang madaling maapektuhan ng ingay mula sa kapaligiran. Sa pangkalahatan, ang thermal noise at paggalaw ng mga particle ay nagdudulot ng pagkasira ng coherence sa loob ng mga nanosecond.

Sa mga espesyal na kondisyon, tulad ng napakalamig na kapaligiran, maaaring tumagal nang mas mahaba ang buhay ng isang qubit. Ngunit kahit gayon, ang sapat na haba ng coherence ay pangunahing limitasyon sa karamihan ng mga quantum computer ngayon, na nagdudulot ng mga error sa kalkulasyon na hindi lamang nagpapababa ng kabuuang kakayahan ng pag-compute, kundi hindi rin madaling mabawi sa pamamagitan ng mga pag-upgrade ng software.

Kaya ang pagtukoy kung aling materyal ang kayang mapanatili ang coherence nang mas matagal ay isang mahalagang hakbang pasulong na kailangang gawin bago maabot ang komersyal na yugto para sa industriya ng quantum computing.

“Ang tunay na hamon, ang bagay na humahadlang sa atin na magkaroon ng kapaki-pakinabang na mga quantum computer ngayon, ay kapag nagbuo ka ng isang qubit at ang impormasyon ay hindi nagtatagal nang matagal.

Ito ang susunod na malaking hakbang pasulong.”

Andrew Houck, dean ng engineering ng Princeton

Paano Pinahaba ng mga Mananaliksik ang Coherence ng Transmon Qubit

Gumamit ang mga mananaliksik ng parehong uri ng superconducting qubit na ginagamit ng mga kumpanya tulad ng Google o IBM sa kanilang sariling quantum computer, transmon qubits.

Ang mga transmon qubit ay may kalamangan dahil sa mataas na fidelity (single-qubit gate fidelities na lampas sa 99.9%), maaaring gawin sa malakihang sukat, at may mataas na coherence time na 0.1 millisecond.

Ito ay maganda, ngunit ang coherence time ay masyadong mababa pa.

Kaya nang ipahayag ng mga mananaliksik sa Princeton na nagawa nilang lumikha ng qubit na tumatagal ng 1.68 ms sa average, ito ay isang napakalaking pag-unlad.

Pinagmulan: Nature

Ito ay isang tagal ng qubit na 3 beses na mas mahaba kaysa sa pinakamahusay na nalikha sa isang laboratoryo, at 15 beses na mas matatag kaysa sa ginagamit ng mga pribadong kumpanya na nagde-develop ng quantum computer.

Bakit Pinapabuti ng Tantalum at Silicon ang Quantum Coherence

Tantalum na Nagpapalakas ng Coherence

Upang makamit ang resultang ito, gumamit ang mga mananaliksik ng dalawang magkaibang pagpapabuti sa materyal na ginamit.

Una, gumamit sila ng metal na tinatawag na tantalum bilang base layer upang matulungan ang mga marupok na circuit na mapanatili ang enerhiya. Ito ay dahil ang maliliit, nakatagong depekto sa ibabaw ng metal ay maaaring hulihin at sumipsip ng enerhiya habang ito ay gumagalaw.

Ito ay lalo pang nagiging problema kapag mas maraming qubit ang idinadagdag sa isang chip, ang ganitong uri ng error ay nagmumultiply hanggang sa maging walang silbi ito paglagpas sa isang tiyak na bilang.

Ginamit ang scanning transmission electron microscopy (STEM) upang patunayan ang lubos na regular na estruktura ng cubic crystals ng tantalum.

Pinagmulan: Nature

Kung ihahambing sa mga metal tulad ng aluminyo, ang tantalum ay may napakakaunting depekto, at lubos na matibay laban sa matitinding proseso ng paglilinis na ginagamit upang alisin ang mga dumi.

“Maaari mong ilagay ang tantalum sa asido, at hindi pa rin nagbabago ang mga katangian.”

Faranak Bahrami – pananaliksik sa Princeton University

Ang paglago ng tantalum nang direkta sa silicon ay isang hamon na nagkinailangan ng masusing pagsisikap upang mapagtagumpayan.

Mag-swipe upang mag-scroll →

Silicon na Pinapalitan ang Sapphire

Isa pang pinagmumulan ng pagkawala ng enerhiya na nagdudulot ng pagkawala ng coherence ay ang sapphire substrate na ginagamit sa mga quantum chip.

Sa halip, gumamit ang mga mananaliksik ng mataas na kalidad (mataas ang resistivity) na silicon, isang karaniwang standard na materyal ng tradisyonal na industriya ng computing.

Sama-sama, ang mga pagpapabuting ito sa mga materyales na ginamit sa platform na tantalum-on-silicon ay nagdulot na ang mga resulting single-qubit gate ay nakamit ang 99.994% fidelity.

Mula sa Pagsulong sa Laboratoryo tungong Scalable na Quantum Chip

Gumamit ang mga mananaliksik ng kanilang pamamaraan upang bumuo ng ganap na gumaganang quantum chip na humihigitan ang lahat ng nakaraang disenyo.

Dahil ang error rate ay multiplicative, ang ganitong uri ng pag-unlad ay sumusukat nang eksponensyal sa laki ng sistema. Bilang resulta, ang 10-15 beses na pagbuti sa error rate para sa indibidwal na mga qubit ay may mas malaking epekto sa isang multi-qubit na computer.

Mahalaga, ang ganitong qubit ay hindi isang kakaibang bagong konsepto, kundi isang “tradisyonal” na superconducting qubit na gumagamit ng ibang materyal, kaya madaling maisama ito sa umiiral na mga quantum computer at magamit ng kasalukuyang quantum computing software.

“Ang pagpapalit ng mga komponent ng Princeton sa pinakamahusay na quantum processor ng Google, na tinatawag na Willow, ay magpapahintulot na gumana ito nang 1,000 beses na mas mahusay.

Ang mga benepisyo ng Princeton qubit ay lumalago nang eksponensyal habang lumalaki ang laki ng sistema, kaya ang pagdagdag ng higit pang mga qubit ay magdadala ng mas malaking benepisyo.”

Andrew Houck, dean ng engineering ng Princeton

Ibig sabihin, ang disenyo ng Princeton ay maaaring magbigay-daan sa isang hypotetikal na 1,000-qubit na computer na gumana nang humigit-kumulang 1 bilyong beses na mas mahusay.

Mas maganda pa, ang paggamit ng tantalum at silicon ay nangangahulugang ang pamamaraan ng paggawa ay akma sa mga kasalukuyang ginagamit ng industriya ng semiconductor, na ginagawang mas madali ang mass production kumpara sa isang ganap na bagong teknolohiya.

Mukhang ipinapakita ng pananaliksik na ang mga silicon quantum chip, na tinalakay natin dati, ay malamang na tamang direksyon para sa industriya ng quantum computing.

Kasama ang mas magagandang quantum light source, better quantum light sources, hybrid quantum-photonic chips, at the possibility to carry quantum information together with normal telecom data flow, ang mga hakbang na ito patungo sa mas malalaking quantum computer ay nagpapakita na ang teknolohiya ay mabilis na umaabot sa komersyal na kahandaan.

Pamumuhunan sa Inobasyon ng Quantum Computing

1. Alphabet Inc.

Ang Google ay napaka-aktibo sa quantum computing, karamihan sa pamamagitan ng kanilang Google Quantum AI lab at Quantum AI campus sa Santa Barbara.

Nagawa ng quantum computer ng Google ang kasaysayan noong 2019 nang igiit nitong naabot ang “quantum supremacy” gamit ang kanilang Sycamore machine. Ang makina ay nagsagawa ng kalkulasyon sa loob ng 200 segundo na aabutin ng isang karaniwang supercomputer ng 10,000 taon.

Ito ay ngayon naluluma na kumpara sa pagganap ng pinakabagong chip nito, na tinatawag na Willow. Ito ang kauna-unahang quantum computing chip na may error rate na sapat na mababa na habang dumarami ang mga qubit, bumababa rin ang error. Ginagawa nitong kauna-unahang scalable na disenyo ng quantum chip.

Ngunit marahil ang pinakamalaking kontribusyon ng Google ay sa software, isang aktibidad kung saan mayroon itong kahanga-hangang track record, mas magaling pa kaysa sa hardware (Search, G Suite, Android, atbp.).

Sa kasalukuyan, nagbibigay ang Quantum AI ng Google ng isang suite ng software na dinisenyo upang tulungan ang mga siyentipiko sa pagbuo ng quantum algorithms.

It also openly advocates for “ang mga mananaliksik, inhinyero, at developer ay sumali sa amin sa paglalakbay na ito sa pamamagitan ng pagtingin sa aming open source software at mga mapagkukunan pang-edukasyon, kabilang ang aming new course on Coursera, kung saan maaaring matutunan ng mga developer ang mga pangunahing kaalaman ng quantum error correction at tulungan kaming lumikha ng mga algorithm na makakakilos sa mga problema ng hinaharap.”

Dahil sa bukas na pamamaraang ito, nangunguna na ngayon ang Google sa hardware pati na rin sa mga cloud solution nito. Maaaring isa ang Google sa mga kumpanyang nagtatakda ng mga pamantayan ng quantum computing software at quantum programming, na nagbibigay dito ng pribilehiyong posisyon upang gabayan ang hinaharap na pag-unlad ng larangan.

Samantala, ang mga solusyon ng AI, kabilang ang self-driving car ng Waymo, ay maaaring maging bagong pinagmumulan ng kita para sa Alphabet, na patuloy na may napakalaking dominasyon sa industriya ng paghahanap at pag-aanunsyo.

Maaari mong malaman pa ang tungkol sa mga hindi quantum na aktibidad ng Google, lalo na ang mga ad at AI,  sa aming dedikadong ulat mula Disyembre 2024.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad sa Stock ng Alphabet (GOOGL)

Pag-aaral na Binanggit:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}