Обчислення
Мілісекундні кубіти знаменують собою прорив у квантових технологіях
Прорив у надпровідних кубітах мілісекундного масштабу
Квантові комп'ютери можуть революціонізувати те, як ми виконуємо криптографію, обчислюємо складні симуляції, такі як тривимірна конфігурація білків, і, ймовірно, мають багато інших застосувань, про які ми сьогодні ледве здогадуємося.
Для функціонування їм потрібні якомога стабільніші «кубіти» – фундаментальний елемент квантових обчислень. Поки що лише квантовим комп’ютерам із «захопленими іонами» вдалося генерувати високостабільні кубіти. Але цю технологію за своєю суттю складніше масштабувати, ніж надпровідні кубіти.
Тож, хоча надпровідні кубіти можуть бути майбутнім цієї технології, необхідне покращення стабільності часу когерентності їхніх кубітів.
Саме цього щойно досягла велика команда дослідників з Принстонського університету. Вони створили тип надпровідних кубітів, які можуть зберігати когерентність більше мілісекунди, що втричі довше, ніж найкращий показник, коли-небудь зафіксований.
Вони опублікували свої висновки в журналі Nature1, під назвою «Мілісекундні часи життя та часи когерентності в 2D трансмонних кубітах".
Межа когерентності кубітів
Для виконання квантових обчислень квантовий комп'ютер повинен підтримувати «когерентність» – особливий квантовий стан, надзвичайно вразливий до перешкод з навколишнього середовища. Загалом, тепловий шум і рух частинок мають тенденцію руйнувати когерентність за наносекунди.
У спеціальних умовах, таких як ультрахолодні умови, час життя кубіта може тривати довше. Однак, достатньо довга когерентність є основним обмеженням для більшості квантових комп'ютерів сьогодні, що призводить до помилок обчислень, які не тільки зменшують загальну обчислювальну потужність, але й не можуть бути легко компенсовані за допомогою оновлення програмного забезпечення.
Тож визначення того, який матеріал здатний довше зберігати когерентність, є ключовим кроком вперед, який необхідно зробити, перш ніж індустрія квантових обчислень досягне комерційного етапу.
«Справжня проблема, те, що заважає нам мати корисні квантові комп’ютери сьогодні, полягає в тому, що ви створюєте кубіт, а інформація просто не зберігається дуже довго.»
Це наступний великий стрибок уперед».
Ендрю Хоук, декан інженерного факультету Принстонського університету
Як дослідники розширили когерентність трансмонних кубітів
Дослідники використовували той самий тип надпровідних кубітів, який використовують такі компанії, як Google або IBM, у власному квантовому комп'ютері, tкубіти Ransmon.
Трансмонні кубіти мають перевагу у високій точності (точність затвора одного кубіта перевищує 99.9%), можливості виробництва у великих масштабах та високий час когерентності 0.1 мілісекунди.
Це багатообіцяюче, але час когерентності все ще занадто низький.
Тож, коли дослідники з Принстона оголосили, що їм вдалося створити кубіт із середньою тривалістю 1.68 мс, це було величезним покращенням.
джерело: Nature
Це тривалість кубіта втричі довша за найкращий кубіт, коли-небудь створений у лабораторії, і в 15 разів міцніша за той, що використовується приватними компаніями, що розробляють квантові комп'ютери.
Чому тантал і кремній покращують квантову когерентність
Тантал підвищує когерентність
Щоб досягти цього результату, дослідники застосували два різні вдосконалення у використовуваному матеріалі.
Спочатку вони використали метал під назвою тантал як базовий шар, щоб допомогти крихким схемам зберігати енергію. Це пояснюється тим, що крихітні, приховані поверхневі дефекти металу можуть захоплювати та поглинати енергію під час його руху.
Це особливо проблематично, коли до чіпа додається більше кубітів, цей тип помилки множиться до такої міри, що робить його непридатним для використання після певного числа.
Для підтвердження високорегулярної структури кубічних кристалів танталу було використано скануючу просвічуючу електронну мікроскопію (STEM).
джерело: Nature
Порівняно з такими металами, як алюміній, тантал має набагато менше дефектів і дуже стійкий до жорстких процесів очищення, що використовуються для видалення домішок.
«Ви можете помістити тантал у кислоту, і властивості все одно не зміняться».
Вирощування танталу безпосередньо на кремнії було проблемою, подолання якої вимагало значних зусиль.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →
| Матеріал кубіта | Субстрат | Середній час когерентності | Щільність дефектів | Простота виготовлення |
|---|---|---|---|---|
| алюміній | сапфір | 0.1 мс | Високий | Medium |
| тантал | Кремній з високим опором | 1.68 мс | низький | Високий (сумісний з напівпровідниками) |
Кремній замінює сапфір
Ще одним джерелом втрат енергії, що призводить до втрати когерентності, є сапфірова підкладка, яка використовується в квантових чіпах.
Замість цього дослідники використовували високоякісний (високоомний) кремній, поширений стандартний матеріал традиційної обчислювальної галузі.
Разом ці вдосконалення матеріалів, що використовуються в цій платформі з танталу на кремнії, дозволили отриманим однокубітним вентилям досягти точності 99.994%.
Від лабораторного прориву до масштабованих квантових чіпів
Дослідники використали свій метод для створення повноцінно функціонального квантового чіпа, який перевершує всі попередні розробки.
Оскільки коефіцієнт помилок є мультиплікативним, цей тип покращення масштабується експоненціально з розміром системи. Як результат, 10-15-кратне покращення коефіцієнта помилок для окремих кубітів має набагато більший вплив на багатокубітний комп'ютер.
Важливо, що такий кубіт не є екзотичною новою концепцією, а просто «традиційним» надпровідним кубітом, виготовленим з іншого матеріалу, тому його можна легко інтегрувати в існуючі квантові комп'ютери та використовувати існуючим програмним забезпеченням для квантових обчислень.
«Заміна компонентів Принстонського університету в найкращому квантовому процесорі Google під назвою Willow дозволила б йому працювати в 1,000 разів краще».
Переваги кубіта Прінстонського університету зростають експоненціально зі збільшенням розміру системи, тому додавання більшої кількості кубітів принесе ще більшу користь».
Ендрю Хоук, декан інженерного факультету Принстонського університету
Це означає, що розробка Принстонського університету може дозволити гіпотетичному комп'ютеру з 1,000 кубітів працювати приблизно в мільярд разів краще.
Ще краще те, що використання танталу та кремнію означає, що метод виробництва відповідає тим, що вже використовуються в напівпровідниковій промисловості, що робить масове виробництво набагато легшим кроком для досягнення, ніж абсолютно нова технологія.
Це дослідження, здається, вказує на те, що кремнієві квантові чіпи, які ми обговорювали раніше, ймовірно, є правильним напрямком для індустрії квантових обчислень.
Разом з кращі квантові джерела світла, гібридні квантово-фотонні чіпи та можливість перенесення квантової інформації разом зі звичайним потоком телекомунікаційних даних, ці кроки до набагато більших квантових комп'ютерів показують, що технологія швидко досягає комерційної зрілості.
Інвестування в інновації квантових обчислень
1. Alphabet Inc.
(GOOGL )
Google дуже активно займається квантовими обчисленнями, здебільшого через свої Лабораторія Google Quantum AI та кампус Quantum AI у Санта-Барбарі.
Квантовий комп'ютер Google увійшов в історію у 2019 році, коли компанія заявила про досягнення «квантової переваги» за допомогою своєї машини Sycamore. Машина виконала обчислення за 200 секунд, на які звичайний суперкомп'ютер витратив би 10 000 років.
Це тепер карликове продуктивність його найновішого чіпа під назвою WillowЦе перший квантовий обчислювальний чіп, який має достатньо низький рівень помилок, що чим більше кубітів ви додаєте, тим менше помилок ви отримуєте. Це робить його першим масштабованим квантовим чіпом.
Але, можливо, найбільший внесок Google буде в програмному забезпеченні, діяльності, де він має вражаючий послужний список, насправді кращий, ніж в апаратному забезпеченні (Пошук, G Suite, Android тощо).
Квантовий штучний інтелект від Google вже пропонує набір програмного забезпечення, призначеного для допомоги вченим у розробці квантових алгоритмів.
Він також відкрито виступає за "дослідників, інженерів і розробників, щоб приєднатися до нас у цій подорожі, перевіривши наші програмне забезпечення з відкритим кодом та освітні ресурси, включно з нашими новий курс на Coursera, де розробники можуть навчитися основам квантової корекції помилок і допомогти нам створити алгоритми, які можуть вирішити проблеми майбутнього."
Завдяки такому відкритому підходу, Google зараз є лідером як у сфері апаратного забезпечення, так і в хмарних рішеннях. Google може бути однією з компаній, які встановлюють стандарти програмного забезпечення для квантових обчислень та квантового програмування, що надає їй привілейоване становище для керування майбутнім розвитком цієї галузі.
Тим часом, рішення на основі штучного інтелекту, включаючи безпілотний автомобіль Waymo, можуть стати новим двигуном доходу для Alphabet, який досі займає надзвичайно домінуючі позиції в індустрії пошуку та реклами.
Ви можете дізнатися більше про діяльність Google, не пов'язану з квантовою технологією, зокрема про рекламу та штучний інтелект, у нашому спеціальному звіті за грудень 2024 року.
Останні новини та події акцій Alphabet (GOOGL)
Посилання на дослідження:
1. Бленд, М.П., Бахрамі, Ф., Мартінес, Дж.Г.К. та ін. Мілісекундні часи життя та часи когерентності у 2D трансмонних кубітах. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4
