Kvanteberegning er lige blevet varmere:En grad over det absolutte nulpunkt

I årtier har jagten på kvanteberegning kæmpet med behovet for ekstremt lave temperaturer, blot brøkdele af en grad over det absolutte nulpunkt (0 Kelvin eller –273,15°C). Det er fordi de kvantefænomener, der giver kvantecomputere deres unikke beregningsevner, kun kan udnyttes ved at isolere dem fra varmen fra den velkendte klassiske verden, vi lever i.

En enkelt kvantebit eller "qubit", svarende til den binære "nul eller en" bit i hjertet af klassisk databehandling, kræver et stort køleapparat for at fungere. På mange områder, hvor vi forventer, at kvantecomputere leverer gennembrud – såsom ved design af nye materialer eller medicin – vil vi dog have brug for et stort antal qubits eller endda hele kvantecomputere, der arbejder parallelt.

Kvantecomputere, der kan håndtere fejl og selvkorrekte, hvilket er afgørende for pålidelige beregninger, forventes at være gigantiske i skala. Virksomheder som Google, IBM og PsiQuantum forbereder sig på en fremtid med hele varehuse fyldt med kølesystemer og bruger enorme mængder strøm til at køre en enkelt kvantecomputer.

Men hvis kvantecomputere kunne fungere ved endnu lidt højere temperaturer, kunne de være meget nemmere at betjene - og meget mere bredt tilgængelige. I ny forskning offentliggjort i Nature , har vores team vist, at en vis form for qubit - individuelle elektroners spin - kan fungere ved temperaturer omkring 1K, langt varmere end tidligere eksempler.

De kolde, hårde fakta

Kølesystemer bliver mindre effektive ved lavere temperaturer. For at gøre det værre, er de systemer, vi bruger i dag til at kontrollere qubits, sammenflettede kabler af ledninger, der minder om ENIAC og andre enorme computere fra 1940'erne. Disse systemer øger opvarmningen og skaber fysiske flaskehalse for at få qubits til at fungere sammen.

Jo flere qubits vi forsøger at proppe i, jo sværere bliver problemet. På et vist tidspunkt bliver ledningsproblemet uoverkommeligt.

Derefter skal styresystemerne indbygges i de samme chips som qubits. Men denne integrerede elektronik bruger endnu mere strøm – og afleder mere varme – end det store rod af ledninger.

En varm omgang

Vores nye forskning kan være en vej frem. Vi har demonstreret, at en bestemt slags qubit – en lavet med en kvanteprik trykt med metalelektroder på silicium, ved hjælp af teknologi meget som den, der bruges i eksisterende mikrochipproduktion – kan fungere ved temperaturer omkring 1K.

Dette er kun en grad over det absolutte nulpunkt, så det er stadig ekstremt koldt. Det er dog væsentligt varmere end tidligere antaget muligt. Dette gennembrud kunne kondensere den vidtstrakte køleinfrastruktur til et mere overskueligt enkelt system. Det ville reducere driftsomkostningerne og strømforbruget drastisk.

Nødvendigheden af ​​sådanne teknologiske fremskridt er ikke kun akademisk. Der er meget på spil inden for områder som lægemiddeldesign, hvor kvantecomputere lover at revolutionere, hvordan vi forstår og interagerer med molekylære strukturer.

Forsknings- og udviklingsudgifterne i disse industrier, der løber op i milliarder af dollars, understreger de potentielle omkostningsbesparelser og effektivitetsgevinster fra mere tilgængelige kvantecomputerteknologier.

En langsom forbrænding

"Hottere" qubits giver nye muligheder, men de vil også introducere nye udfordringer inden for fejlretning og kontrol. Højere temperaturer kan meget vel betyde en stigning i antallet af målefejl, hvilket vil skabe yderligere vanskeligheder med at holde computeren funktionel.

Det er stadig tidlige dage i udviklingen af ​​kvantecomputere. Kvantecomputere kan en dag være lige så allestedsnærværende som nutidens siliciumchips, men vejen til den fremtid vil være fyldt med tekniske forhindringer.

Vores seneste fremskridt med at betjene qubits ved højere temperaturer er et vigtigt skridt i retning af at gøre kravene til systemet enklere.

Det giver håb om, at kvantecomputere kan bryde fri fra begrænsningerne af specialiserede laboratorier til det bredere videnskabelige samfund, industrien og kommercielle datacentre.

Flere oplysninger: Jonathan Y. Huang et al., High-fidelity spin qubit operation og algoritmisk initialisering over 1 K, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07160-2

Journaloplysninger: Natur

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.