I decennier har jakten på kvantberäkning kämpat med behovet av extremt låga temperaturer, bara bråkdelar av en grad över absolut noll (0 Kelvin eller –273,15°C). Det beror på att kvantfenomenen som ger kvantdatorer deras unika beräkningsförmåga bara kan utnyttjas genom att isolera dem från värmen från den välbekanta klassiska värld vi lever i.
En enda kvantbit eller "qubit", motsvarande den binära "noll eller en"-biten i hjärtat av klassisk datoranvändning, kräver en stor kylapparat för att fungera. Men på många områden där vi förväntar oss att kvantdatorer ska leverera genombrott – som att designa nya material eller mediciner – kommer vi att behöva ett stort antal qubits eller till och med hela kvantdatorer som arbetar parallellt.
Kvantdatorer som kan hantera fel och självkorrigera, vilket är nödvändigt för tillförlitliga beräkningar, förväntas vara gigantiska i skala. Företag som Google, IBM och PsiQuantum förbereder sig för en framtid med hela lager fyllda med kylsystem och förbrukar enorma mängder ström för att driva en enda kvantdator.
Men om kvantdatorer kunde fungera vid ännu lite högre temperaturer, skulle de kunna vara mycket lättare att använda - och mycket mer allmänt tillgängliga. I ny forskning publicerad i Nature , vårt team har visat att en viss typ av qubit – spinn av enskilda elektroner – kan fungera vid temperaturer runt 1K, mycket varmare än tidigare exempel.
Kylsystem blir mindre effektiva vid lägre temperaturer. För att göra det värre är de system vi använder idag för att kontrollera qubits sammanflätade sladdar av ledningar som påminner om ENIAC och andra enorma datorer på 1940-talet. Dessa system ökar uppvärmningen och skapar fysiska flaskhalsar för att få qubits att fungera tillsammans.
Ju fler qubits vi försöker stoppa in, desto svårare blir problemet. Vid en viss punkt blir ledningsproblemet oöverstigligt.
Därefter måste styrsystemen byggas in i samma chips som qubits. Den här integrerade elektroniken använder dock ännu mer kraft – och avleder mer värme – än den stora röran med kablar.
Vår nya forskning kan erbjuda en väg framåt. Vi har visat att en viss typ av qubit – en gjord med en kvantprick tryckt med metallelektroder på kisel, med teknik ungefär som den som används i befintlig mikrochipproduktion – kan fungera vid temperaturer runt 1K.
Detta är bara en grad över absoluta nollpunkten, så det är fortfarande extremt kallt. Det är dock betydligt varmare än vad man tidigare trott var möjligt. Detta genombrott skulle kunna kondensera den vidsträckta kylinfrastrukturen till ett mer hanterbart, enda system. Det skulle drastiskt minska driftskostnaderna och strömförbrukningen.
Nödvändigheten av sådana tekniska framsteg är inte bara akademisk. Insatserna är höga inom områden som läkemedelsdesign, där kvantberäkningar lovar att revolutionera hur vi förstår och interagerar med molekylära strukturer.
Forsknings- och utvecklingskostnaderna i dessa industrier, som går upp i miljarder dollar, understryker de potentiella kostnadsbesparingarna och effektivitetsvinsterna med mer tillgänglig kvantberäkningsteknik.
"Hetare" qubits erbjuder nya möjligheter, men de kommer också att introducera nya utmaningar inom felkorrigering och kontroll. Högre temperaturer kan mycket väl innebära en ökning av antalet mätfel, vilket kommer att skapa ytterligare svårigheter att hålla datorn funktionell.
Det är fortfarande tidiga dagar i utvecklingen av kvantdatorer. Kvantdatorer kan en dag vara lika allmänt förekommande som dagens kiselchips, men vägen till den framtiden kommer att fyllas med tekniska hinder.
Våra senaste framsteg när det gäller att använda qubits vid högre temperaturer är ett viktigt steg mot att göra kraven på systemet enklare.
Det ger hopp om att kvantberäkning kan bryta sig loss från gränserna för specialiserade laboratorier till det bredare forskarsamhället, industrin och kommersiella datacenter.
Mer information: Jonathan Y. Huang et al, High-fidelity spin qubit operation och algoritmisk initiering över 1 K, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07160-2
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
