Key takeaways
- At lave praktiske kvantecomputere kunne afhænge af at finde bedre måder at bruge superledende materialer, som ikke har nogen elektrisk modstand.
- Forskere ved Oak Ridge National Laboratory har opdaget en metode til at finde forbundne elektroner med ekstrem præcision.
- Superledende kvantecomputere slår i øjeblikket rivaliserende teknologier med hensyn til processorstørrelse.
Praktiske kvantecomputere kan snart ankomme med dybtgående implikationer for alt fra lægemiddelopdagelse til kodebrydning.
I et skridt hen imod at bygge bedre kvantemaskiner målte forskere ved Oak Ridge National Laboratory for nylig den elektriske strøm mellem en atomisk skarp metalspids og en superleder. Denne nye metode kan finde forbundne elektroner med ekstrem præcision i et træk, der kunne hjælpe med at detektere nye slags superledere, som ikke har nogen elektrisk modstand.
"Superledende kredsløb er den nuværende frontløber for at bygge kvantebits (qubits) og kvanteporte i hardware," fort alte Toby Cubitt, direktøren for Phasecraft, et firma, der bygger algoritmer til kvanteapplikationer, til Lifewire i en e-mail. interview. "Superledende qubits er solid-state elektriske kredsløb, som kan designes med høj nøjagtighed og fleksibilitet."
Spooky Action
Kvantecomputere udnytter det faktum, at elektroner kan hoppe fra et system til et andet gennem rummet ved hjælp af kvantefysikkens mystiske egenskaber. Hvis en elektron parrer sig med en anden elektron lige ved det punkt, hvor metal og superleder mødes, kan den danne det, der kaldes et Cooper-par. Superlederen frigiver også en anden slags partikel ind i metallet, kendt som Andreev-refleksion. Forskerne ledte efter disse Andreev-refleksioner for at opdage Cooper-par.
A alto University/Jose Lado
Oak Ridge-forskerne målte den elektriske strøm mellem en atomisk skarp metalspids og en superleder. Denne tilgang lader dem registrere mængden af Andreev-reflektion, der vender tilbage til superlederen.
Denne teknik etablerer en kritisk ny metode til at forstå den interne kvantestruktur af eksotiske typer superledere kendt som ukonventionelle superledere, hvilket potentielt giver os mulighed for at tackle en række åbne problemer i kvantematerialer, Jose Lado, en adjunkt ved A alto University, som ydede teoretisk støtte til forskningen, sagde i en pressemeddelelse.
Igor Zacharov, en seniorforsker ved Quantum Information Processing Laboratory, Skoltech i Moskva, fort alte Lifewire via e-mail, at en superleder er en stoftilstand, hvor elektroner ikke mister energi ved at spredes på kernerne, når de udfører elektrisk strøm og den elektriske strøm kan flyde uformindsket.
"Mens elektroner eller kerner har kvantetilstande, der kan udnyttes til beregning, opfører superledende strøm sig som en makrokvanteenhed med kvanteegenskaber," tilføjede han. "Derfor genopretter vi situationen, hvor en makrotilstand af stof kan bruges til at organisere informationsbehandling, mens den har åbenlyst kvanteeffekter, der kan give den en beregningsmæssig fordel."
En af de største udfordringer inden for kvanteberegning i dag vedrører, hvordan vi kan få superledere til at yde endnu bedre.
The Superconducting Future
Superledende kvantecomputere slår i øjeblikket rivaliserende teknologier med hensyn til processorstørrelse, sagde Cubitt. Google demonstrerede såkaldt "quantum supremacy" på en 53-qubit superledende enhed i 2019. IBM lancerede for nylig en kvantecomputer med 127 superledende qubits, og Rigetti har annonceret en 80-qubit superledende chip.
"Alle kvantehardwarevirksomheder har ambitiøse køreplaner for at skalere deres computere i den nærmeste fremtid," tilføjede Cubitt. "Dette er blevet drevet af en række fremskridt inden for teknik, som har muliggjort udviklingen af mere sofistikerede qubit-designs og optimering. Den største udfordring for denne særlige teknologi er at forbedre kvaliteten af portene, dvs. at forbedre den nøjagtighed, hvormed processoren kan manipulere informationen og køre en beregning."
Bedre superledere kan være nøglen til at lave praktiske kvantecomputere. Michael Biercuk, administrerende direktør for kvantecomputervirksomheden Q-CTRL, sagde i et e-mailinterview, at de fleste nuværende kvantecomputersystemer bruger niobiumlegeringer og aluminium, hvori superledning blev opdaget i 1950'erne og 1960'erne.
"En af de største udfordringer inden for kvanteberegning i dag vedrører, hvordan vi kan få superledere til at yde endnu bedre," tilføjede Biercuk. "For eksempel kan urenheder i den kemiske sammensætning eller strukturen af de aflejrede metaller forårsage kilder til støj og ydeevneforringelse i kvantecomputere - disse fører til processer kendt som dekohærens, hvor "kvanteheden" i systemet går tabt."
Kvanteberegning kræver en delikat balance mellem kvaliteten af en qubit og antallet af qubits, forklarede Zacharov. Hver gang en qubit interagerer med miljøet, såsom at modtage signaler til 'programmering', kan den miste sin sammenfiltrede tilstand.
"Selvom vi ser små fremskridt i hver af de angivne teknologiske retninger, er det stadig uhåndgribeligt at kombinere dem til en velfungerende enhed," tilføjede han.
Den 'hellige gral' inden for kvanteberegning er en enhed med hundredvis af qubits og lave fejlfrekvenser. Forskere kan ikke blive enige om, hvordan de vil nå dette mål, men et muligt svar er at bruge superledere.
"Det stigende antal qubits i en silicium-superledende enhed understreger behovet for gigantiske kølemaskiner, der kan drive store driftsvolumener tæt på den absolutte nultemperatur," sagde Zacharov.
