Maaari bang makatulong ang Superfluid Helium sa paggawa ng mas mahusay na Quantum Computer?

May problema sa hardware ang quantum computing: ang parehong pakikipag-ugnayan na nagpapahintulot sa mga mananaliksik na kontrolin ang quantum information ay maaaring makagambala rin dito. Ang mga pag-alog ng kuryente, depekto sa materyales, at hindi nais na palitan ng enerhiya ay maaaring magdulot ng mga error bago matapos ang isang kalkulasyon. Ang pagbuo ng kapaki-pakinabang na mga makina ay nangangailangan ng balanse sa pagitan ng pag-access sa mga marupok na quantum state at proteksyon mula sa kanilang kapaligiran.

Isang papel nina Priya Sharma, Jens Koch, at Eran Ginossar, na inilathala sa npj Quantum Information, ay nagmumungkahi ng isang hindi pangkaraniwang pamamaraan: isang mikroskopikong aparato na nag-iimbak ng quantum information sa galaw ng superfluid helium-3.¹ Sa halip na umasa sa kuryenteng elektrikal bilang pangunahing mekanismo ng operasyon, pinagsasama ng iminungkahing aparato ang daloy ng neutral na likido sa isang flexible na mekanikal na plato.

Ang kaakit-akit nito ay ang nabawasang pagkalantad sa ilang pinagmumulan ng electrical noise. Ang hamon ay ang potensyal na kalamangan na ito ay may kasamang mahigpit na pangangailangan sa paglamig, paggawa, at kontrol. Itinatag ng pag-aaral ang isang teoretikal na daan patungo sa isang bagong qubit, habang hindi pa nalulutas ang eksperimental na pagganap at praktikal na pagsasaklaw.

Paano Gagana ang isang Superfluid Helium Qubit

Ang Helium-3 ay nagiging superfluid sa napakababang temperatura, na nagpapahintulot sa isang bahagi ng likido na dumaloy nang walang karaniwang viskos na paghamak. Ang kolektibong pag-uugali nito ay may mga mahalagang katangian na kahalintulad ng superconductivity, kabilang ang isang bersyon ng Josephson effect, na nag-uugnay ng daloy sa pamamagitan ng isang mahinang koneksyon sa quantum phase difference sa kabila nito.

Ang iminungkahing Superfluid Helium Oscillator Quantum device, na pinaikling SHOQ, ay naglalaman ng isang maliit na selula na konektado sa nakapaligid na helium reservoir sa pamamagitan ng isang nanoscale na aperture. Ang isang elastic na plato ay bumubuo ng takip ng selula. Habang ang helium ay dumadaloy sa aperture, ang mga pagbabago sa presyon sa loob ng selula ay nagpapagalaw sa plato.

Ang likido at plato ay nagsasama upang bumuo ng isang oscillator. Sa ilalim ng angkop na kondisyon, ang enerhiya nito ay naka-quantize, na nangangahulugang ito ay sumasaklaw ng mga discrete na antas ng enerhiya sa halip na anumang arbitraryong enerhiya. Dalawa sa mga antas na iyon ay maaaring magrepresenta ng mga estado na ginagamit upang i-encode ang isang quantum bit.

Gayunpaman, hindi sapat ang mga discrete na antas lamang. Dapat din ang kanilang pagitan ay sapat na magkaiba upang ang mga mananaliksik ay makapag-address ng isang paglipat nang hindi sinasadyang napapukaw ang iba pa. Ang hindi pantay na pagitan na ito, na tinatawag na anharmonicity, ay mahalaga upang ang isang oscillator ay kumilos bilang isang kontrolableng qubit. Ipinapakita ng mga may-akda kung paano ang sukat ng aperture, laki ng plato, at mekanikal na katigasan ay maaaring magbigay ng kinakailangang nonlinearity.

Bakit Mahalaga ang Charge Neutrality para sa Quantum Computing

Sa superconducting qubits, ang quantum information ay naka-encode sa pag-uugali ng electrical circuit. Sa halip, ang SHOQ proposal ay gumagamit ng kolektibong galaw ng electrically neutral na helium. Ipinapahiwatig ng mga may-akda na ang charge at flux noise ay maaaring maging mas kaunti ang problema para sa arkitekturang ito.

Ang pagkakaibang iyon ay maaaring mahalaga, ngunit hindi nito ipinapatunay ang kaligtasan mula sa ingay. Ang mga mekanikal na bahagi, pagtagas ng enerhiya sa pamamagitan ng aperture, at ang kagamitan na ginagamit upang patakbuhin ang aparato ay nagdadala ng iba pang paraan kung paano maaaring masira ang impormasyon.

Ang mas malawak na aral ay na ang pagbabago ng pisika ng qubit ay nagbabago ng problema sa engineering. Ang isang platform ay maaaring magpababa ng isang kahinaan habang lumilikha ng ibang bottleneck. Ang paghahambing ng Securities.io ng arkitektura ng quantum hardware ay nagbibigay ng konteksto kung bakit ang magkasalungat na mga pamamaraan ay nangangailangan ng iba’t ibang imprastruktura at estratehiya sa paggawa.

Ang charge neutrality ay nangangailangan din ng maingat na interpretasyon. Ang mungkahing ito ay tumatalakay sa isang kolektibong estado ng liquid helium, sa halip na indibidwal na nakulong na neutral na atom. Pareho silang may kinalaman sa neutral na materyal, ngunit ang kanilang mga mekanismo, temperatura, at mga pangangailangan sa kontrol ay lubos na magkaiba.

Ano ang Ipinapakita ng mga Kalkulasyon sa Helium Qubit

Sinusuri ng mga mananaliksik ang anim na halimbawa ng disenyo. Ipinapahiwatig ng kanilang mga kalkulasyon na ang mga angkop na aparato ay maaaring mapanatili ang quantum information nang sapat na panahon upang suportahan ang mga operasyon ng qubit, kung ipagpapalagay na ang mga modelong mekanismo ng dissipation ay tama ang paglalarawan sa tapos na hardware.

Ipinapakita ng talahanayan sa ibaba ang paghahambing ng tatlong disenyo nang direkta mula sa papel. Ang mga tinatayang buhay ay sumasalamin sa dissipation mula sa single quasiparticle tunneling, na tinukoy ng mga may-akda bilang pangunahing mekanismo ng pagkawala sa mababang temperatura sa kanilang pagsusuri.

Ito ay mga teoretikal na pagtatantiya, sa halip na sinusukat na coherence time. Sa partikular, ang tinatayang buhay ng enerhiya‑relaksasyon ay hindi dapat ituring bilang kumpletong eksperimental na demonstrasyon kung gaano katagal pinananatili ng isang qubit ang impormasyon ng yugto.

Natukoy ng mga may‑akda ang disenyo #5 bilang lubos na magagarbo. Gayunpaman, ang mas mahabang buhay lamang ay hindi nagtatakda ng kapakinabangan. Ang bilis ng gate, pagtagas sa hindi nais na antas, pagsisimula, katumpakan ng pagsukat, at pagkakakonekta sa pagitan ng mga aparato ay lahat nakaaapekto kung gaano karaming maaasahang kalkulasyon ang maaaring gawin ng isang plataporma.

Ang Napakababang Paglamig ay ang Sentral na Trade‑off sa Inhenyeriya

Kahanga‑hanga ang pag‑asa sa temperatura. Para sa disenyo #5, ang pagpapababa ng temperatura mula 0.4 hanggang 0.3 millikelvin ay nagpapataas ng tinatayang buhay mula 0.64 hanggang 25.96 milisegundo, halos apatnapung beses.

Ang mga temperaturang iyon ay katumbas lamang ng 400 at 300 microkelvin higit sa ganap na zero. Binanggit ng papel na ang mga temperatura sa paligid ng 0.4 millikelvin ay naabot na sa mga naunang eksperimento gamit ang helium‑3. Ipinapakita nito ang pisikal na posibilidad, ngunit ang pagpapatakbo ng isang kontroladong quantum na aparato sa ilalim ng mga kondisyong iyon ay nananatiling isang mapanghamong gawain.

Lumikha ito ng kapaki‑pakinabang na pagkakaiba sa pagitan ng sukat ng aparato at sukat ng sistema. Ang isang qubit na may plaka na ilang micrometre lamang ang lapad ay hindi awtomatikong magbubunga ng isang compact na computer. Ang nakapaligid na kagamitan sa paglamig, mga koneksyon, shielding, at mga aparato sa pagsukat ay maaaring mangibabaw sa kabuuang pag‑install.

Kaya’t ang isang praktikal na pagsusuri ay magtatanong kung ilang maaasahang operasyon ang maaaring ibigay ng buong sistema para sa bigat ng paglamig at komplikasyon ng operasyon. Kung ang mas mababang electrical noise ay nangangailangan ng lubos na mas mahirap na refrigeration, dapat na sapat ang kalamangan upang patunayan ang gastusin sa imprastruktura.

Nakaaapekto rin ang temperatura sa pagsisimula. Para sa isang sinusuring disenyo, tinatantiya ng papel ang 10.3% na thermal occupation ng unang excited state sa 0.3 millikelvin. Kaya’t ang simpleng pagpapalamig ng aparato ay hindi garantisadong magsisimula ang bawat operasyon sa ninanais na estado.

Ang Pagkontrol sa Neutral na Qubit ay Kailangan pa rin ng Isang Interface

Ang isang protektadong quantum state ay kapaki‑pakinabang lamang kung maaaring ihanda, manipulahin, at sukatin ito ng mga mananaliksik. Ipinapakita ng papel ang isang hybrid na pamamaraan na kinabibilangan ng SHOQ device, isang superconducting transmon qubit, at isang microwave cavity.

Ang galaw ng mekanikal na plaka ay magbabago ng electrical capacitance, na magpapahintulot sa helium oscillator na makipag‑ugnayan sa superconducting circuit. Maaaring tulungan ng circuit na iyon na isalin ang galaw ng neutral na fluid patungo sa karaniwang elektronikong kontrol at pagsukat.

Ipinapakita ng ayos na ito ang ikalawang trade‑off. Ang sentral na mekanismo na nagdadala ng impormasyon ay maaaring iwasan ang ilang electrical vulnerabilities, habang ang control interface nito ay muling nag‑ugnay dito sa electrical hardware. Kaya’t ang pagganap ng pinagsamang sistema ay dapat sukatin, sa halip na hulaan lamang mula sa hiwalay na helium oscillator.

Iniiwan ng papel ang detalyadong gate architecture at operasyon para sa mga susunod na pag‑-aaral. Kabilang sa mga mahalagang experimental milestone ang:

• Paglutas sa mga hinulaang antas ng enerhiya at ang kanilang hindi pantay na pag‑aayos.
• Pagpapakita ng maaasahang paghahanda ng estado, kontrol, at pagsukat.
• Pagsukat ng relaxation at phase coherence sa mga ginawang aparato.
• Pagkakabit ng maraming aparato habang pinananatili ang kapaki‑pakinabang na pagganap.

Nag‑aalok ang Quantum Fabrication ng Koneksyon sa Pamumuhunan

Ang mga kahilingang ito ay nag‑uugnay ng pananaliksik sa isang umiiral na hamon sa industriya: ang pare‑parehong paggawa ng mga delikadong quantum na aparato. Ang isang nanoscale aperture o elastic membrane ay dapat kumilos nang predictable pagkatapos ng fabrication, pag‑assemble, at paglamig. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga nominal na magkatulad na komponent ay maaaring magpasimple ng kontrol at magpababa ng yield.

Para sa mga mamumuhunan na interesado sa teknolohiyang ito, nag‑aalok ang Oxford Instruments ng isang kaugnay na pampublikong kumpanya na maaaring pag‑aralan. Ang kanilang plasma processing equipment ay sumusuporta sa tumpak na pag‑ukit at deposition, kasama ang mga tool na kasalukuyang binibili para sa quantum device fabrication.

Noong Mayo 2026, inanunsyo ng Oxford Instruments na ang Rigetti Computing (RGTI ) ay bumili ng kanilang PlasmaPro 100 Cobra system para sa atomikong patong na pag‑ukit para sa mga quantum na aparato. Inilalarawan ng anunsyo ang isang low‑damage na proseso na naglalayong suportahan ang pinalawak na kakayahan sa fabrication ng Rigetti.

Hiwalay, isang anunsyo noong Mayo ang nagbalangkas ng isang pakikipagtulungan sa paggawa sa antas‑atomiko kasama ang NYU Nanofab. Sama‑sama, ipinapakita ng mga pag‑unlad na ito ang pangangailangan para sa mga manufacturing tool sa buong quantum research at development.

Ito ay isang hindi direktang koneksyon sa pamumuhunan. Ang helium paper ay hindi tinukoy ang Oxford Instruments bilang kalahok o nagpatunay na ang kanilang kagamitan ay gagawa ng mga SHOQ device. Ang buong‑taon na resulta ng 2026 ng kumpanya ay nagpapatunay din sa pag‑alis ng kanilang NanoScience na negosyo, kaya’t ang fabrication ang nararapat na pokus sa halip na ang dating cryogenics portfolio.

Mula sa Proposisyon ng Qubit tungo sa Kapaki‑pakinabang na Quantum Hardware

Ang konsepto ng helium ay nasa maagang yugto ng pag‑unlad. Dapat maging reproducible na mga sukat ang mga kalkulasyon nito bago magkaroon ng malaking timbang ang paghahambing sa mga itinatag na plataporma.

Samantala, ang iba pang arkitektura ay umuusad patungo sa pag-install ng mga customer, tulad ng ipinakita ng inihayag na pagkuha ng quantum computer ng Florida International University. Ang pagkakaibang iyon sa pag-unlad ay mahalaga kapag sinusuri ang komersyal na kahalagahan ng isang bagong panukala.

Ang halaga ng pananaliksik na ito ay ang alternatibong binubuksan nito: quantum information na naka-encode sa isang sistemang condensed-matter na walang karga. Ang huling tagumpay nito ay depende kung ang pisikal na kalamangan ay mananatili sa paglamig, paggawa, at mga pangangailangan sa kontrol ng isang kumpletong makina. Ang pagpapakita ng balanseng iyon ay magiging mas makabuluhan kaysa sa isang kahanga-hangang pagtatantiya ng buhay lamang.

Mga Sanggunian:

¹ Sharma, P., Koch, J., & Ginossar, E. (2026). Towards a micromechanical qubit based on quantized oscillations in superfluid helium. npj Quantum Information. Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41534-026-01355-3