שבבי קוונטים קרובים למציאות עם עיצוב סיליקון ניתן להרחבה

חוקרי Diraq חשפו שיטת ייצור ביט קוונטי באיכות גבוהה, בעלת פוטנציאל מסחרי, שעשויה לחולל מהפכה בתחום המחשוב. הוכחת עקרון זו משתמשת בתהליכי ייצור מסורתיים המשמשים במשך עשרות שנים כדי לספק שבבי מחשב קוונטיים אמינים, בקנה מידה גדול ועמידים בפני תקלות, השומרים על דיוק מקסימלי. הנה מה שאתם צריכים לדעת.

הביקוש למחשבים קוונטיים במחירים נוחים נמצא במגמת עלייה

יש ביקוש גובר לשירותי מחשוב קוונטי ומומחים. על פי נתונים אחרונים דיווחיםחברות כבר הוציאו 2.35 מיליארד דולר על שירותים קוונטיים בשנה שעברה. בנוסף, המגזר חווה עלייה משמעותית בגיוס עובדים, כאשר סטטיסטיקות לינקדאין מצביעות על עלייה של 180% בחברות המחפשות אנשי מקצוע בתחום הקוונטים בין השנים 2020 ל-2024.

ישנן סיבות רבות לעלייה בביקוש למחשוב קוונטי. אחת הסיבות לכך היא יישומים צבאיים. ברחבי העולם, צבאות השקיעו מימון משמעותי בתקווה להשיג יתרון תחרותי על פני מתחריהם.

יוזמת השוואת ביצועים קוונטית

סוכנות הפרויקטים למחקר מתקדם של ארצות הברית (DARPA) מארחת כעת את יוזמת השוואת הביצועים הקוונטיים. מטרת הפרויקט היא לקבוע האם ניתן להרחיב את שבבי המחשוב הקוונטי ולהפוך אותם לעמידים יותר מהעיצוב הנוכחי שלהם, אשר במצב קוונטי שביר.

כדי להשיג משימה זו, נבחרו 18 חברות להתחרות זו בזו כדי להשיג קנה מידה של תועלת בתחום המחשוב הקוונטי. קנה מידה של תועלת הוא מונח המתייחס ליכולתו של מחשוב קוונטי לפתור בעיות העולות בהרבה על מחשבי העל של ימינו.

משימה זו תדרוש תיקון שגיאות בזמן אמת כדי לעמוד בדרישות האמינות הגבוהה. האמינות מתייחסת לדיוק השבב. מהנדסים יצטרכו ליצור שבב קוונטי שיכול לאחסן ולגשת לכמויות אדירות של מידע תוך שמירה על יותר מ-100 קיוביטים בצורה אמינה על פני מצב קוונטי שביר.

שבבי קוונטים מבוססי סיליקון

היו סוגים רבים ושונים של עיצובים של שבבים קוונטיים ששימשו ליצירת חומרה קוונטית. עם זאת, להכנסת שבבים קוונטיים מבוססי סיליקון יש יתרונות משמעותיים.

ראשית, הם יכולים לנצל את מיליארדי הדולרים בתשתית ובאסטרטגיות ייצור שכבר קיימות עבור שבבים מסורתיים. בנוסף, השבבים יכולים להכיל מיליוני קיוביטים על שבב יחיד. קיוביטים אלה ממוקמים במדויק כדי לספק מחשוב קוונטי יעיל.

השלבים הבאים

מתוך הכרה בפוטנציאל שמספקת טכנולוגיית ספין-קיוביט של סיליקון, חיפשו מהנדסים דרכים לשפר את עיצובי השבבים הללו. מחקרם כלל בדיקות מעבדה נרחבות. תוצאות המעבדה הוכחו כמדויקות. עם זאת, עד כה, לא נעשה ניסיון לראות אם ניתן להשיג את אותה רמת דיוק באמצעות שיטות ייצור מסורתיות בקנה מידה תעשייתי.

מקור - טבע

כדי להשיג משימה זו, מהנדסים צריכים להתגבר על מספר אתגרים מהותיים. התכנון שלהם יצטרך לקחת בחשבון הפרעות הנגרמות מרעש מטען ואי-סדר סטטי. בעיות אלו מתרחשות עקב פגמים ומלכודות בממשקים ותחמוצות הנמצאות בתכנוני שבבי סיליקון.

מחקר ייצור שבבים קוונטיים בקנה מידה גדול

האחרון תאי יחידה של ספין-קיוביט מסיליקון תואמים לתעשייה, העולים על דיוק של 99%¹ מחקר שפורסם ב-24 בספטמבר בכתב העת Nature, מספק תובנות חשובות לגבי מדדים מכריעים האחראים להשגת שבבים קוונטיים הניתנים להרחבה.

זה מחבר את הנקודות בין יכולות ניטור בזמן אמת לבין היכולת לתקן שגיאות קוונטיות. באופן ספציפי, מצביע על קורלציות בין רעש חשמלי והעברת פסי הול. כחלק מהעבודה, Diraq עיצבה תוכנה חדשה למידול עיצוב שבבים.

הם שיתפו פעולה עם חברת ייצור השבבים imec, שהייתה אחראית על הייצור הסופי של המכשיר. משם, הצוות יצר מספר עיצובים תוך שימוש בפרוסות סיליקון וגיאומטריית CMOS מסורתית.

כלי עבודה סטנדרטיים

המהנדסים בחרו במספר התקנים בני שני קיוביטים שהשתמשו במוליך למחצה מישורי מתכת-תחמוצת-מוליך עם שערי פוליסיליקון. ההתקנים יוצרו באמצעות כלי מוליכים למחצה סטנדרטיים בסביבת יציקה של 300 מ"מ. באופן ספציפי, הארכיטקטורה בה נעשה שימוש כללה נקודה קוונטית כפולה וטרנזיסטור אלקטרונים יחיד (SET), שסיפקו קריאת ספין בזמן אמת.

ראוי לציין כי ארבעת האלקטרונים בנקודה הכפולה שנוצרת מתחת לאלקטרודות שער הבוכנה של המכשיר מאפשרים לשלוט בצימוד המנהרה בין הנקודות ולספק ניתוח רעש. משם, היחידה כולה הונחה במקרר דילול 3He/4He שהוגדר לטמפרטורת בסיס של 10 mK במצב מבודד.

בדיקת עיצוב שבב הקוונטים החדש

כדי לבחון את המבנה שלהם, הצוות העביר את המכשיר למספר תנאי ניסוי שנוצרו במעבדת המחקר של UNSW. הצעד הראשון היה להעריך את הפונקציונליות העיקרית של הקיוביט של השבב. בדיקה זו כללה בדיקת שערים של קיוביט אחד ושני ורישום שיעורי שגיאות.

ראוי לציין כי הצוות השתמש בכלי טומוגרפיה של שערים (GST) חדיש כדי לקבל תובנות חשובות לגבי המצב הקוונטי בזמן אמת. גישה זו אפשרה להם לקבוע גורמי הפרעה כמו קרוסטוק ואת הפירוק בין שגיאות סטוכסטיות לקוהרנטיות.

לאחר תיעוד ארבעה עיצובים, הם ביצעו מדידות קריו-פרובינג על 16 אפשרויות נוספות. לכל שבב היו צורה וארכיטקטורה מעט שונות, מה שאפשר לצוות לקבל תובנות לגבי האופן שבו העיצוב שלהם מספק בקרה אלקטרוסטטית אחידה על אלקטרודות שער של המכשיר.

תוצאות מבחן מחקר ייצור שבבים קוונטיים בקנה מידה גדול

תוצאות הבדיקה הראו שהקונספט היה הצלחה. הצוות הדגים ביצועים גבוהים של קיוביטים על פרוסת 300 מ"מ באמצעות בתי יציקה מסורתיים של מוליכים למחצה. הנתונים שלהם מצביעים על כך שהשבב ביצע בדיוק כצפוי. הן במתקני בקרה של קיוביטים בודדים והן בשתי מתקני בקרה, הוא עלה על דיוק של 99% בכל ארבעת ההתקנים.

תוצאות הבדיקה מצביעות על כך שניתן לייצר בהצלחה את שבב הסיליקון הקוונטי של Diraq באופן המוני באמצעות אסטרטגיות CMOS מסורתיות. תגלית זו פותחת את הדלת לייצור בקנה מידה גדול של התקני מחשוב קוונטי מהדור הבא.

יתרונות מחקר ייצור שבבים קוונטיים בקנה מידה גדול

החלק כדי לגלול →

מחקר זה מביא לתעשייה יתרונות רבים. ראשית, הוא סיפק ידע מדעי יקר ערך להתגברות על המגבלות הטכניות של אסטרטגיות ייצור של מחשוב קוונטי בקנה מידה גדול. הוא גם הדגים דרך לשלב שבבים קוונטיים בייצור המוני בעתיד.

דיוק

אחת התגליות הגדולות ביותר היא שתהליך היציקה לא הפחית את הדיוק או את הנאמנות של שבבי הקוונטים. למעשה, הוא הראה ששבבי קוונטים מבוססי סיליקון יכולים לשמור על דיוק ברמה עולמית כאשר הם נוצרים תוך שימוש באסטרטגיות ספין-קיוביט מתקדמות בשילוב עם תיקון שגיאות בזמן אמת.

ייצור המוני

המטרה העיקרית של המחקר הייתה להדגים שמחשבים קוונטיים מבוססי סיליקון יכולים לנצל את תעשיית המוליכים למחצה הבוגרת. המהנדסים הצליחו במטרה זו, מה שפותח את הדלת לאימוץ רחב היקף של שבבים אלה.

יישומים וציר זמן בעולם האמיתי

ישנם מספר יישומים למחקר זה. ראשית, הוא יסייע לספק נתיב בר-קיימא לייצור בקנה מידה גדול של שבבי סיליקון קוונטיים אמינים. התקנים אלה ימלאו תפקיד חיוני בתעשיות היי-טק רבות, כולל בינה מלאכותית, תעופה וחלל, רפואה, מידול אקלים ועוד.

ציר זמן של מחקר ייצור שבבים קוונטיים בקנה מידה גדול

יעברו 7-10 שנים עד שתוכלו להיכנס לחנות המחשבים המקומית שלכם ולראות מכשירים המונעים קוונטית במחיר סביר. עם זאת, עבודה זו סוללת את הדרך למחשבים המונעים קוונטית במחירים סבירים בעשור הקרוב.

חוקרים במחקר ייצור שבבים קוונטיים בקנה מידה גדול

כדי להפוך את מחקר ייצור השבבים הקוונטיים בקנה מידה גדול להצלחה, Diraq, סטארט-אפ ננו-טכנולוגיה של UNSW בסידני, שיתף פעולה עם מרכז המיקרואלקטרוניקה הבין-אוניברסיטאי של המכון האירופי לננו-אלקטרוניקה (imec). ראוי לציין כי Diraq חשפה בעבר עיצוב של שבב סיליקון שייצר קיוביטים באמצעות תהליכי CMOS במעבדה שלהם.

צעד זה נתן לצוות השראה לקדם את הטכנולוגיה עוד יותר, ולאפשר שימוש בשיטות ייצור בקנה מידה גדול. הישג מהותי זה פותח את הדלת לייצור המוני של שבבי קוונטים מבוססי סיליקון לשימוש בכל דבר, החל מתחבורה ועד מכשירים רפואיים.

הוראות מחקר עתידיות

בהתייחסם לתוכניותיהם, המהנדסים מתכננים לבצע חקירה נוספת של תצורות גדולות ותפוסת אלקטרונים גבוהה יותר. מטרתם היא להבין טוב יותר את המקור הפיזי של מנגנוני השגיאה שנצפו וליצור מודלים שיכולים לחזות ולמנוע במדויק אירועים אלה. אם תצליח, עבודה זו תספק נתיב ברור לביצועים גבוהים אף יותר במגזר.

השקעה במחשוב קוונטי

מספר מפתחי מחשבים קוונטיים פועלים ברחבי העולם. חברות אלו ממשיכות לדחוף את גבולות המחשוב על ידי השקעה מתמדת במחקר ופיתוח כדי להפחית את עלויות הייצור. הנה חברה אחת שנשארה חלוצה בשוק ומוכרת כמובילה בתעשייה.

מחשוב ריגטי

ריגטי מחשוב נכנסה לשוק בשנת 2013. היא ממוקמת בקליפורניה ונוסדה על ידי פיזיקאי בשם צ'אד ריגטי. ריגטי מחשוב התמקדה ביצירה ותחזוקה של קיוביטים מוליכי-על. גישה זו כללה יצירת מערכות קוונטיות מוליכות-על מלאות וחומרה חיונית אחרת.

ראוי לציין כי Rigetti Computing תמיד הייתה חלוצה בשוק. לדוגמה, היא הציגה את מעבד הקוונטים הראשון בשנת 2016. שבב 3 קיוביטים זה פותח את הדלת לחידושים עתידיים, כולל שחרור סביבת התכנות הקוונטית Forest, שסייעה להניע את פיתוח האלגוריתמים.

בשנת 2017 הושקה Rigetti Quantum Cloud Services (QCS), שאפשרה גישה ברמה ארגונית לשבבים קוונטיים רבי עוצמה. מהלך זה לווה במהירות בפתיחתו של מפעל יציקה חדש בפרימונט, קליפורניה, באותה שנה. מהלכים אלה סייעו לחזק את מיצוב החברה ויכולות הייצור שלה.

בשנת 2024, Rigetti Computing הציגה את מעבדי ה-32 קיוביטים שלה. מהלך זה לווה בשותפות אסטרטגית עם AWS. כל התמרונים הללו חיזקו את מיצובה של Rigetti Computing בשוק ואת אמון הצרכנים. ככזה, כיום היא נתפסת כדרך מצוינת לצבור חשיפה למגזר המחשוב הקוונטי.

חדשות וביצועים אחרונים על מניית BDX (RGTI)

מחקר ייצור שבבים קוונטיים בקנה מידה גדול | סיכום

ישנן סיבות רבות מדוע יצירת שבבי סיליקון קוונטיים שיכולים למנף את תעשיית המוליכים למחצה הבוגרת היא ניצחון לכולם. ראשית, זה יביא להפחתת עלויות ולמחקר נוסף. כמו כן, זה יעורר השראה לחדשנות טכנולוגית נוספת בעתיד.

למד על פריצות דרך מגניבות אחרות בתחום המחשוב הקוונטי כאן.

הפניות

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, WH, Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, JD, Vahapoglu, E., Bartee, SK, Hudson, FE, Chan, KW, J., Juks, Y. Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). תאי יחידת ספין-קיוביט סיליקון תואמים לתעשייה העולים על נאמנות של 99%. טבע, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}