Key takeaways
- Å lage praktiske kvantedatamaskiner kan avhenge av å finne bedre måter å bruke superledende materialer som ikke har noen elektrisk motstand.
- Forskere ved Oak Ridge National Laboratory har oppdaget en metode for å finne koblede elektroner med ekstrem presisjon.
- Superledende kvantedatamaskiner slår for tiden rivaliserende teknologier når det gjelder prosessorstørrelse.
Praktiske kvantedatamaskiner kan snart komme med dype implikasjoner for alt fra legemiddeloppdagelse til kodeknusing.
I et skritt mot å bygge bedre kvantemaskiner, målte forskere ved Oak Ridge National Laboratory nylig den elektriske strømmen mellom en atomisk skarp metallspiss og en superleder. Denne nye metoden kan finne koblede elektroner med ekstrem presisjon i et trekk som kan hjelpe med å oppdage nye typer superledere som ikke har noen elektrisk motstand.
"Superledende kretser er den nåværende frontløperen for å bygge kvantebiter (qubits) og kvanteporter i maskinvare," sa Toby Cubitt, direktøren for Phasecraft, et selskap som bygger algoritmer for kvanteapplikasjoner, til Lifewire i en e-post intervju. "Superledende qubits er solid-state elektriske kretser, som kan utformes med høy nøyaktighet og fleksibilitet."
Spooky Action
Kvantedatamaskiner utnytter det faktum at elektroner kan hoppe fra et system til et annet gjennom verdensrommet ved å bruke kvantefysikkens mystiske egenskaper. Hvis et elektron parer seg med et annet elektron rett på punktet der metall og superleder møtes, kan det danne det som kalles et Cooper-par. Superlederen frigjør også en annen type partikkel i metallet, kjent som Andreev-refleksjon. Forskerne så etter disse Andreev-refleksjonene for å oppdage Cooper-par.
A alto-universitetet / Jose Lado
Oak Ridge-forskerne målte den elektriske strømmen mellom en atomisk skarp metallspiss og en superleder. Denne tilnærmingen lar dem oppdage mengden Andreev-refleksjon som returnerer til superlederen.
Denne teknikken etablerer en kritisk ny metodikk for å forstå den interne kvantestrukturen til eksotiske typer superledere kjent som ukonvensjonelle superledere, som potensielt lar oss takle en rekke åpne problemer i kvantematerialer, Jose Lado, assisterende professor ved A alto-universitetet, som ga teoretisk støtte til forskningen, sa i en pressemelding.
Igor Zacharov, seniorforsker ved Quantum Information Processing Laboratory, Skoltech i Moskva, fort alte Lifewire via e-post at en superleder er en materietilstand der elektroner ikke mister energi ved å spres på kjernene når de utfører elektrisk strøm og den elektriske strømmen kan flyte uforminsket.
"Mens elektroner eller kjerner har kvantetilstander som kan utnyttes for beregning, oppfører superledende strøm seg som en makrokvanteenhet med kvanteegenskaper," la han til. "Derfor gjenoppretter vi situasjonen der en makrotilstand av materie kan brukes til å organisere informasjonsbehandling mens den har åpenbart kvanteeffekter som kan gi den en beregningsfordel."
En av de største utfordringene innen kvanteberegning i dag er knyttet til hvordan vi kan få superledere til å yte enda bedre.
The Superconducting Future
Superledende kvantedatamaskiner slår for tiden rivaliserende teknologier når det gjelder prosessorstørrelse, sa Cubitt. Google demonstrerte såk alt "quantum supremacy" på en 53-qubit superledende enhet i 2019. IBM lanserte nylig en kvantedatamaskin med 127 superledende qubits, og Rigetti har annonsert en 80-qubit superledende brikke.
"Alle kvantemaskinvareselskaper har ambisiøse veikart for å skalere datamaskinene sine i nær fremtid," la Cubitt til. "Dette har vært drevet av en rekke fremskritt innen engineering, som har muliggjort utvikling av mer sofistikerte qubit-design og optimalisering. Den største utfordringen for denne spesielle teknologien er å forbedre kvaliteten på portene, det vil si å forbedre nøyaktigheten som prosessoren bruker med. kan manipulere informasjonen og kjøre en beregning."
Bedre superledere kan være nøkkelen til å lage praktiske kvantedatamaskiner. Michael Biercuk, administrerende direktør for kvantedatabedriften Q-CTRL, sa i et e-postintervju at de fleste nåværende kvantedatabehandlingssystemer bruker nioblegeringer og aluminium, der superledning ble oppdaget på 1950- og 1960-tallet.
"En av de største utfordringene innen kvanteberegning i dag er knyttet til hvordan vi kan få superledere til å yte enda bedre," la Biercuk til. "For eksempel kan urenheter i den kjemiske sammensetningen eller strukturen til de avsatte metallene forårsake kilder til støy og ytelsesforringelse i kvantedatamaskiner - disse fører til prosesser kjent som dekoherens der "kvanteheten" til systemet går tapt."
Kvantedatabehandling krever en delikat balanse mellom kvaliteten på en qubit og antall qubits, forklarte Zacharov. Hver gang en qubit interagerer med miljøet, for eksempel å motta signaler for 'programmering', kan den miste sin sammenfiltrede tilstand.
"Selv om vi ser små fremskritt i hver av de angitte teknologiske retningene, er det fortsatt unnvikende å kombinere dem til en godt fungerende enhet," la han til.
Den 'hellige gral' av kvantedatabehandling er en enhet med hundrevis av qubits og lave feilfrekvenser. Forskere kan ikke bli enige om hvordan de skal nå dette målet, men et mulig svar er å bruke superledere.
"Det økende antallet qubits i en silisium-superledende enhet understreker behovet for gigantiske kjølemaskiner som kan drive store driftsvolumer nær absolutt nulltemperatur," sa Zacharov.
