Kuantum Bilişim Gelişmiş Süper İletken Teknolojisi ile İleriye Sıçrayıyor

Gelişmekte olan bir teknoloji olan kuantum hesaplama, geleneksel bilgisayarların kapasitesinin ötesindeki karmaşık sorunları çözmek için kuantum mekanizmalarının yasalarını kullanır. 

Bu kuantum bilgisayarlar bilgiyi kübitlerde (veya kuantum bitlerinde) saklar. Klasik bitlerden farklı olarak bu kübitler, 0 ve 1 ikili durumunun ötesinde var olabiliyor ve bu nedenle hesaplamaları çok daha hızlı gerçekleştirebiliyor. 

Dahası, bu kübitler farklı biçimlerde geliyoryüklü iyonları veya atomları kullanan tuzaklanmış iyon kübitleri dahil; hafif parçacıklar kullanan fotonik kübitler; ve etraflarında elektrik akımı dolaşan bir devre döngüsü olan süper iletken kübitler.

'Katı hal' kuantum hesaplamasının bir parçası olan süperiletken kübitler ilk olarak 1999 yılında tanıtıldı. O zamandan beri, azaltılmış enerji dağılımı, düşük direnç, azaltılmış uyumsuzluk, ölçeklenebilir kuantum devreleri, yüksek hızlı kübit çalışması, kararlı kübit durumları, yüksek doğrulukta kübit kontrolü ve hata düzeltme gibi avantajlar sunan temel kübit teknolojisi biçimlerinden biri haline geldiler.

Son on yılda, süper iletken kuantum hesaplama, işlevsel kuantum bilgisayarlar oluşturmak için popüler bir seçenek haline geldi ve devam eden araştırmalar bizi bunları gerçeğe dönüştürmeye daha da yaklaştırıyor.

Süperiletken Malzemelerde Son Gelişmeler

Daha bu hafta, bir araştırmacı ekibi Science Advances dergisinde kuantum hesaplama için yeni bir süper iletken malzemenin geliştirilmesine ilişkin bir çalışma yayınladı.

Yeni süperiletken malzeme, kuantum bilgisini ve işlem verilerini taşımak için bir delik veya bir elektronun delokalize durumunu kullanan bir tür olan "topolojik süperiletken" için bir adaydır.

Kaliforniya Üniversitesi'nden fizikçi Peng Wei, trigonal tellürü birleştiren bir araştırmacı ekibine liderlik etti.manyetik olmayan bir malzeme Amerika’ya vize ile ya da Meksika üzerinden geldikten sonra ilticaya başvuran kişileri, herhangi bir suça karışmadıkları sürece mahkeme kararı olmadan sınır dışı (deport) ettiremez. üst üste bindirilmek ince bir altın filmin yüzeyinde oluşturulan yüzey durumu süper iletkeniyle ayna görüntüsünde.

Bu kombinasyon 2 boyutlu bir arayüz süperiletkeni yarattı gelişmiş spin polarizasyonu ile uyarımların potansiyel olarak yaratılmasına izin verir kararlı bir dönüş kübiti. Bu çığır açan süper iletken malzeme, kuantum hesaplama bileşenlerinin ölçeklenebilirliği ve güvenilirliğinde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. 

"Kiral malzeme ile altın arasında çok temiz bir arayüz oluşturarak, iki boyutlu bir süperiletken arayüz geliştirdik. Arayüz süperiletkeni, spin enerjisinin geleneksel süperiletkenlere göre altı kat daha fazla arttığı bir ortamda yaşadığı için benzersizdir."

– Wei, fizik ve astronomi alanında doçent

Manyetik alan altında malzeme daha da görüldü Daha sağlam kuantum hesaplama bileşenlerine yol açabilecek üçlü süper iletken olarak kullanılmasını öneren bir geçiş yapmak. Temel olarak yüksek bir manyetik alanda, düşük bir manyetik alana göre daha sağlam hale geldi. 

Ayrıca, daha temiz arayüzler için manyetik olmayan malzemeler kullanan bu yeni teknoloji, aynı zamanda doğal olarak eşevresizlik kaynaklarını da bastırıyorBu kuantum hesaplamada bir zorluktur.

Araştırmacılar ayrıca şunları da gösterdi: süperiletkenin yeteneği kuantum hesaplamanın kritik bileşenleri olan en yüksek kalitede, düşük kayıplı mikrodalga rezonatörlerine dönüştürülecek. Bu, düşük kayıplı süper iletken kübitlerin ortaya çıkmasına yol açabilir. 

Bir kubit sistemindeki uyumsuzluğu veya kuantum bilgisi kaybını azaltmanın kuantum hesaplamadaki en büyük zorluk olduğu göz önüne alındığında, bu araştırma daha ölçeklenebilir ve güvenilir kuantum hesaplama bileşenlerinin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Wei'ye göre:

"Bunu, kuantum bilgisayar endüstrisinde tipik olarak kullanılanlardan bir kat daha ince malzemeler kullanarak başardık."

Bu mikrodalga rezonatörlerin kalite faktörü 1 milyona ulaşıyor.

Bundan bir hafta önce UCLA liderliğindeki bir ekip, kuantum hesaplama için umut vaat eden yeni materyaller sunan bir çalışma da yayınladı. 

Malzeme, normalden çok daha yüksek manyetik alanlar altında süper iletken özelliklerini korudu ve süper iletken diyot etkisi sergiledi. Bir yönde daha fazla akımın akmasına izin veren bu etki, tipik olarak kiral süperiletkenlerde görülür ve geleneksel süperiletkenlerde nadiren görülür.

Geleneksel bir süperiletkende kiral davranışı tetiklemek için araştırmacılar, kiral bir moleküler katman ve 2D malzeme tantal disülfür (TaS2) içeren katmanlı bir yapı oluşturdular.

Bu çalışma, kuantum hesaplamanın verimliliğini ve istikrarını artırma ve geleneksel elektronikleri daha hızlı ve enerji açısından daha verimli hale getirme potansiyelini ortaya koydu.

Qubit Kontrolünde ve Ölçeklenebilirlikte Yenilikler

Kuantum bilgisayarların "dünyayı büyük ölçüde değiştirme" kapasitesine sahip olmasıyla birlikte, pratik bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için dünya çapında bir yarış yaşandı.

Ancak kuantum bilgisayarların büyümesini engelleyen en büyük zorluklardan biri ölçeklenebilirliktir; bu da yeterince büyük bilgisayarların gerçek hayattaki sorunların üstesinden gelebileceği anlamına gelir. Yararlı sorunları çözebilecek bir kuantum bilgisayara sahip olmak için ya daha fazla kübite ya da hesaplamalar sırasında ortaya çıkan hataları azaltacak güvenilir bir yola ihtiyacımız var.

Bu nedenle Japonya'daki araştırmacılar, yönetilebilir kübit sayısını artırarak ve gerekli kübit sayısını azaltarak sorunu çözmeye başladı.

Birkaç ay önce araştırmacılar, düşük sıcaklıklarda birçok kübiti kontrol edebilen bir süper iletken devreyi başarıyla gösterdiler.

Bu deneyde süper iletken bir devre gösterildi Mikrodalga çoklama kullanarak tek bir kablo üzerinden birden fazla kübiti kontrol etmek. Bu devre, kablo başına mikrodalga sinyal yoğunluğunu yaklaşık 1,000 kat artırma potansiyeline sahip. Bu başarı, kontrol edilebilir kübit sayısını önemli ölçüde artırabilir ve büyük ölçekli kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesine katkıda bulunabilir.

Kübitler ile oda sıcaklığındaki elektronikler arasında geçiş yapmak için gereken donanımı azaltmak amacıyla yenilikçi bir 'kriyo-elektronik' geliştirildi. 'Kriyo-elektronik', kübitlerin yakınındaki kriyojenik sıcaklıklarda çalışan kübit kontrolü ve okuma elektroniğidir. 

Kriyo-elektroniklerin ayrıca mutlak sıfırın dört derece üzerindeki yüksek hızlı saat frekanslarında çalıştığı da kanıtlanmıştır. Artık odak noktası, kübitlerin yanında üretilen ısıyı en aza indirmek için enerji tüketimini azaltmaktır. 

Japon araştırmacıların bir başka odak noktası da işleme hatalarını düzeltmenin yollarını bulmaktır. Bunun ortasında Princeton Üniversitesi'nden araştırmacılar hatasız kuantum hesaplama için bir üretim tekniği geliştirdiler.

Bu araştırmada bilim insanları, topolojik bir yalıtkan olan tungsten ditellürid (WTe2) üzerine süperiletken bir katman oluşturdular. Bu teknik, yalıtkanın yüzeyine biriktirilmiş bir metal (paladyum) "tohumunu" kullanarak sıfır direnç gösteren yeni bir kristal yapı olan Pd7WTe2'yi oluşturdu.

Atom yayma tekniği, molibden ditellürid (MoTe2) dahil olmak üzere çeşitli bileşenlerle başarılı bir şekilde çalışır.

Topolojik bir süperiletken olup olmadığını belirlemek için daha fazla teste ihtiyaç duyulurken, araştırmacılar genel yöntemleriyle yeni süperiletkenlerin yaratılabileceğine inanıyorlar.

Uyumsuzluğun Giderilmesi ve Performansın Artırılması

Kuantum hesaplamadaki bir başka atılım, bu yılın başlarında araştırmacıların süperiletken devrelere yeni bir yaklaşım getirmesiyle gerçekleşti. Bu yaklaşım, bir kuantum bilgisayarın çalışma süresini önemli ölçüde uzatma potansiyeline sahiptir.

Daha önce de belirttiğimiz gibi, böyle bir bilgisayarın sürekli çalışması, kübitin kuantum durumunun istikrarsız hale getirilebilmesi nedeniyle kesintiye uğrar. Buna eşevresizlik denir ve hesaplamalarda hatalara yol açar. Bunun nedeni, diğer kübitler ve çevreleriyle olan etkileşimlerdir.

Süperiletken kübitler farklı durumlar arasında en kısa sürede geçiş yapılmasını sağladığından, büyüyen araştırmaların odak noktası haline geliyorlar. Ancak anahtarlama süresini artırabilseler de, milisaniyeler kadar kısa bir sürede eşevresizliğe karşı daha duyarlıdırlar.

Bu nedenle, uluslararası bir araştırmacı grubu, "flowermon" olarak adlandırılan bir Josephson bağlantı tasarımı önerdi. Bu tasarımda, bakır esaslı süper iletken bir malzeme olan iki adet bir atom kalınlığında küprat pulu kullanılıyor.

"Flowermon, korumalı kuantum devreleri için geleneksel olmayan süper iletkenlerin kullanılmasına ilişkin eski fikri modernize ediyor ve bunu yeni üretim teknikleri ve süper iletken devre tutarlılığına ilişkin yeni bir anlayışla birleştiriyor."

– Uri Vool, Almanya'daki Max Planck Katı Maddelerin Kimyasal Fiziği Enstitüsü'nden fizikçi

Ekibin hesaplamalarına göre, tasarımları gürültüyü azaltabilir ve dolayısıyla kübitlerin tutarlılık süresini kat kat artırabilir. Ancak bu tamamen teorik bir yaklaşımdı ve ekip, bundan sonra sonuçlarını süperiletken kübitleri optimize etmek için kullanmayı planlıyor.

Kuantum bilgisayarların performansının üstesinden gelmek için geçen yıl, Minnesota Twin Cities Üniversitesi'nden bir araştırmacı ekibi, yalnızca kuantum bilgisayarların ölçeğini büyütmeye yardımcı olmakla kalmayıp aynı zamanda yapay zeka sistemlerini de geliştirebilen, ayarlanabilir bir süper iletken diyot geliştirdi. 

Diyot, akımın tek yönde akışına izin veren bir cihazdır. Genellikle yarı iletkenlerle yapılmış olsa da araştırmacılar, herhangi bir güç kaybı olmadan enerji aktarımına olanak tanıyan süper iletkenlerle diyotlar yapmayı araştırıyorlar.

Minnesota Üniversitesi Fizik Fakültesi'nde doçent olan kıdemli araştırma yazarı Vlad Pribiag, Astronomi, kaydetti:

"Bilgisayarları daha güçlü hale getirmek istiyoruz, ancak mevcut malzemelerimiz ve üretim yöntemlerimizle yakında ulaşacağımız bazı zor sınırlar var." 

Bilgi işlem gücünü artırmanın en büyük zorluğu enerjiyi dağıtmaktır, bu nedenle ekip süper iletken teknolojileri kullanmayı tercih etti.

Süper iletken diyot cihazı inşaa edilmiş üç Josephson kavşağını kullanarak. Süperiletken olmayan malzeme parçalarının süperiletkenlerin ortasına sıkıştırılmasıyla yapılan bu çalışmada araştırmacılar, süperiletkenleri yarı iletken katmanlarla birbirine bağladılar. 

Bu benzersiz tasarım, araştırmacıların cihazın davranışını voltaj kullanarak kontrol etmelerine olanak sağladı. Ayrıca, her biri yalnızca bir giriş ve çıkış işleyebilen geleneksel diyotların aksine, aynı anda birden fazla elektrik sinyalini işleyebilir. Bu özellikler, süperiletken diyotun beyinden ilham alan nöromorfik hesaplamalarda bile kullanılabileceğini gösteriyor.

Nöromorfik hesaplamada elektrik devreleri, performansı artırmak için insan beynindeki nöronların nasıl çalıştığını kopyalayacak şekilde tasarlanmıştır.

Makalenin başyazarı Mohit Gupta'ya göre, bu yeni süperiletken diyot diğer süperiletken diyotlardan daha enerji verimli. Daha spesifik olarak, ilk kez enerji akışını kontrol etmek için bir dizi kapıyla geliyor. Bu özellik daha önce bir süperiletken diyota dahil edilmemişti, ancak bu çalışma "bu etkiyi ayarlamak için kapılar eklenip elektrik alanları uygulanabileceğini gösterdi." 

Üstelik bu araştırmada kullanılan malzeme daha endüstri dostuydu ve yeni işlevler sunabiliyordu.

Bu çalışmada kullanılan teknik daha da ileri götürülebilir. kullanılmak herhangi biriyle süper iletken, bu da onu son derece esnek ve endüstri uygulamalarıyla uyumlu hale getiriyor. Bu nitelikler, kuantum bilgisayarların gelişiminin daha geniş kullanım için ölçeklendirilmesine yardımcı olabilir.

"Şu anda piyasadaki tüm kuantum hesaplama makineleri, gerçek dünya uygulamalarının ihtiyaçlarına göre oldukça basit. Kullanışlı ve karmaşık sorunları çözebilecek kadar güçlü bir bilgisayara sahip olmak için ölçeklendirmeye ihtiyaç var."

– Pribiag

Bu Yapay zeka kullanımının önemli ölçüde arttığı bugünlerde özel bir önem taşıyor. Bu Bu durum, insanların klasik bilgisayarların performansını aşabilecek bilgisayarlar veya yapay zekâ makineleri için algoritmalar araştırmasına yol açtı. Pribiag, bu çalışmanın kuantum bilgisayarların bu algoritmaları uygulamasını sağlayacak donanımı geliştirdiğini belirtti. 

Araştırma, Ulusal Bilim Vakfı ve Microsoft Research'ün kısmi desteğiyle öncelikle Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı tarafından finanse edildi.

Performansı Etkilemeden 2D Malzemelerle Kübitleri Küçültme

Devam eden araştırma ve geliştirme, bilim adamlarının normal kübitlerden çok daha küçük süper iletken kübitler oluşturmasına yol açtı. Bu süper iletken kübitler 2 boyutlu malzemeler kullanılarak inşa edildi.

Klasik bilgisayarların hız ve kapasitesini aşabilmek için kuantum bilgisayarların kübitlerinin aynı dalga boyunda olması gerekir. Bunu başarmak için araştırmacılar, transistörleri nanometreye kadar küçülen klasik muadillerinin aksine, bugün bile milimetre cinsinden ölçülen bu kübitlerin boyutlarından genellikle ödün vermek zorunda kalırlar.

Columbia Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde Wang Fong-Jen Profesörü olan James Hone, kübitlerin performanslarını korurken büyük bir fiziksel ayak izine sahip olmalarını önlemek için boyutlarını küçültmek amacıyla gerçekten küçük bir süperiletken kübit kapasitörü sergiledi.

Daha önce mühendisler kübit çipleri oluşturmak için düzlemsel kapasitörler kullanıyordu. Burada yüklü plakalar ayarlanır yan yanayken ve istiflenebilirler yerden tasarruf etmek için bu, kübit bilgi depolamasına müdahale eder.

Hone'un doktora öğrencileri Anjaly Rajendra ve Abhinandan Antony, süperiletken niyobyum diselenürden oluşan iki yüklü plaka arasına yalıtkan bir bor nitrür tabakası yerleştirdiler. Sadece bir atom kalınlığındaki bu katmanlar, elektrostatik kuvvetler arasındaki zayıf bir etkileşim olan van der Waals kuvvetleriyle bir arada tutuluyor. 

Daha sonra kapasitörler alüminyum devrelerle birleştirilerek bir çip oluşturuldu. Bu çipin iki kübiti vardı ve yalnızca 35 nanometre kalınlığındaydı; bu, geleneksel yaklaşımlarla üretilenlerden 1,000 kat daha küçüktü.

Soğutulduğunda kübitler aynı dalga boyuna sahip oldu. Ayrıca birbirine dolandıkları ve tek bir birim gibi hareket ettikleri de gözlemlendi. Bu kuantum tutarlılığı, yalnızca kısa ömürlü olmasına rağmen (bir mikrosaniyenin biraz üzerinde), kübitin kuantum durumunun elektrik darbeleri yoluyla manipüle edilebileceği ve okunabileceği anlamına gelir. Hone'a göre:

"Artık 2 boyutlu malzemelerin kuantum bilgisayarları mümkün kılmanın anahtarını tutabileceğini biliyoruz. Henüz çok erken, ancak bunun gibi bulgular dünya çapındaki araştırmacıları 2 boyutlu malzemelerin yeni uygulamalarını düşünmeye teşvik edecek. Bu yönde daha birçok çalışma görmeyi umuyoruz ileriye gidiyor".

İki boyutlu (2D) kuantum malzemeleri, benzersiz yapıları sayesinde malzeme biliminde önemli bir çığır açmıştır. 3 boyutlu malzemelerin aksine, 2 boyutlu kuantum malzemeleri yalnızca bir veya birkaç atom kalınlığındadır ve elektronlar her üç yönde de hareket edebilir.

Bazı popüler 2D malzemeler arasında Silisen, Grafen, Germanen, Stanen, Fosforen, Geçiş Metali Dikalkogenitler (TMDC'ler) ve Altıgen Bor Nitrür (h-BN) bulunur.

Bu malzemeler, dönüştürücü teknolojik uygulamalar için çeşitli özellikler ve potansiyel sunarken, sentez, entegrasyon ve ölçeklenebilirlik açısından çözülmesi gereken zorluklarla karşı karşıyadırlar. üstesinden gelmek önce onların tam potansiyeli gerçekleştirilebilir.

Kuantum Bilişim Devrimine Öncülük Eden Önemli Şirketler

Şimdi, süper iletkenler ve kuantum hesaplama alanında faaliyet gösteren bazı önemli şirketlere bir göz atalım:

# 1. Alfabe (Google)

Alfabe yoğun yatırım yapılıyor yan kuruluşu Google Quantum AI aracılığıyla kuantum hesaplama araştırmalarında. Bölüm, 2019'da Sycamore adında süper iletken bir kuantum işlemci yarattı. tamamlayabildi Aksi takdirde güçlü bir süper bilgisayar için bile 200 yıl sürecek bir hesaplamayı 10,000 saniyede yapmak. O zamandan beri Sycamore kuantum işlemcisi önemli ölçüde büyüdü ve şu anda 70 kübit barındırıyorBu da onu önceki modelinden 241 milyon kat daha sağlam hale getiriyor.

Teknoloji devinin piyasa değeri 2.06 trilyon dolar ve hisseleri (GOOGL):NASDAQ) YTD'ye göre %165.68 artışla 18.56 dolardan işlem görüyor. Alphabet, 2 yılının ikinci çeyreğinde net gelirinin %2024 artışla 28.6 milyar dolara yükseldiğini, toplam gelirinin ise %23.6 artışla 14 milyar dolara yükseldiğini bildirdi. Google'ın ana şirketi ayrıca hisse başına 84.74 ABD doları tutarında nakit temettü dağıtacağını duyurdu.

# 2. NVIDIA Corporation

NVIDIA, ortaklıklar ve işbirlikleri yoluyla kuantum bilişimi ve süper iletkenleri araştırıyor. Bu yılın mart ayında şirket, açık kaynaklı NVIDIA CUDA-Q™ platformuyla Almanya, Japonya ve Polonya'daki ulusal süper bilgi işlem tesislerinde kuantum hesaplama çabalarının hızlandırıldığını duyurdu.

Yapay zekanın gözdesi NVIDIA hisseleri, 161.24'te şimdiye kadar kaydettikleri %2024'lük artışla da kanıtlandığı gibi, bu yıl harika bir performans sergiliyor. Bu yükseliş, NVDA hisselerinin 129.45 dolardan işlem görmesini sağlayarak şirketin piyasa değerini 3.188 trilyon dolara çıkardı. Yonga üreticisi, 1'ün ilk çeyreğinde 2024 milyar dolar gelir elde ederek rekor bir performans sergiledi.

Sonuç

Dolayısıyla, dünya çapındaki araştırmacılar, kuruluşlar ve şirketler, karmaşık problemlerin çözümünde mükemmel olan kuantum bilişimini geliştirmek için çalışıyorlar. Özellikle süperiletken teknolojisine odaklanmak, önemli ilerlemeler kaydedilmesine yardımcı oluyor ve bizi bu dönüştürücü teknolojinin tüm potansiyelini gerçekleştirmeye yaklaştırıyor. 

Kuantum hesaplamanın mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için burayı tıklayın.