Belangrijkste afhaalrestaurants
- Het maken van praktische kwantumcomputers kan afhangen van het vinden van betere manieren om supergeleidende materialen te gebruiken die geen elektrische weerstand hebben.
- Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory hebben een methode ontdekt om gekoppelde elektronen met extreme precisie te vinden.
- Supergeleidende kwantumcomputers verslaan momenteel rivaliserende technologieën in termen van processorgrootte.
Praktische kwantumcomputers kunnen binnenkort arriveren met ingrijpende gevolgen voor alles, van het ontdekken van medicijnen tot het breken van codes.
In een stap naar het bouwen van betere kwantummachines hebben onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory onlangs de elektrische stroom gemeten tussen een atomair scherpe metalen punt en een supergeleider. Deze nieuwe methode kan gekoppelde elektronen met extreme precisie vinden in een beweging die zou kunnen helpen bij het detecteren van nieuwe soorten supergeleiders, die geen elektrische weerstand hebben.
"Supergeleidende circuits zijn de huidige koploper voor het bouwen van kwantumbits (qubits) en kwantumpoorten in hardware", vertelde Toby Cubitt, de directeur van Phasecraft, een bedrijf dat algoritmen voor kwantumtoepassingen bouwt, in een e-mail aan Lifewire interview. "Supergeleidende qubits zijn elektrische circuits in vaste toestand, die met hoge nauwkeurigheid en flexibiliteit kunnen worden ontworpen."
Spookachtige actie
Kwantumcomputers profiteren van het feit dat elektronen door de ruimte van het ene systeem naar het andere kunnen springen met behulp van de mysterieuze eigenschappen van de kwantumfysica. Als een elektron paren met een ander elektron precies op het punt waar metaal en supergeleider elkaar ontmoeten, kan het een zogenaamd Cooper-paar vormen. De supergeleider laat ook een ander soort deeltje in het metaal vrij, bekend als Andreev-reflectie. De onderzoekers zochten naar deze Andreev-reflecties om Cooper-paren te detecteren.
A alto University / Jose Lado
De wetenschappers van Oak Ridge hebben de elektrische stroom gemeten tussen een atomair scherpe metalen punt en een supergeleider. Met deze benadering kunnen ze de hoeveelheid Andreev-reflectie detecteren die terugkeert naar de supergeleider.
Deze techniek stelt een cruciale nieuwe methodologie vast voor het begrijpen van de interne kwantumstructuur van exotische soorten supergeleiders die bekend staan als onconventionele supergeleiders, waardoor we mogelijk een verscheidenheid aan open problemen in kwantummaterialen kunnen aanpakken, Jose Lado, een assistent-professor bij A alto University, die theoretische ondersteuning bood aan het onderzoek, zei in een persbericht.
Igor Zacharov, een senior onderzoeker bij het Quantum Information Processing Laboratory, Skoltech in Moskou, vertelde Lifewire via e-mail dat een supergeleider een toestand van materie is waarin elektronen geen energie verliezen door verstrooiing op de kernen tijdens het uitvoeren van de elektrische stroom en de elektrische stroom kan onverminderd stromen.
"Terwijl elektronen of kernen kwantumtoestanden hebben die kunnen worden benut voor berekeningen, gedraagt supergeleidende stroom zich als een macrokwantumeenheid met kwantumeigenschappen", voegde hij eraan toe. "Daarom herstellen we de situatie waarin een macrotoestand van materie kan worden gebruikt om informatieverwerking te organiseren, terwijl het duidelijk kwantumeffecten heeft die het een computationeel voordeel kunnen geven."
Een van de grootste uitdagingen in kwantumcomputing van vandaag heeft betrekking op hoe we supergeleiders nog beter kunnen laten presteren.
De supergeleidende toekomst
Supergeleidende kwantumcomputers verslaan momenteel rivaliserende technologieën in termen van processorgrootte, zei Cubitt. Google demonstreerde in 2019 zogenaamde "quantum suprematie" op een 53-qubit supergeleidend apparaat. IBM heeft onlangs een kwantumcomputer gelanceerd met 127 supergeleidende qubits, en Rigetti heeft een 80-qubit supergeleidende chip aangekondigd.
"Alle kwantumhardwarebedrijven hebben ambitieuze stappenplannen om hun computers in de nabije toekomst op te schalen", voegde Cubitt eraan toe. "Dit is mogelijk gemaakt door een reeks technische ontwikkelingen, die de ontwikkeling van meer geavanceerde qubit-ontwerpen en optimalisatie mogelijk hebben gemaakt. De grootste uitdaging voor deze specifieke technologie is het verbeteren van de kwaliteit van de poorten, d.w.z. het verbeteren van de nauwkeurigheid waarmee de processor kan de informatie manipuleren en een berekening uitvoeren."
Betere supergeleiders kunnen de sleutel zijn tot het maken van praktische kwantumcomputers. Michael Biercuk, de CEO van kwantumcomputerbedrijf Q-CTRL, zei in een e-mailinterview dat de meeste huidige kwantumcomputersystemen niobiumlegeringen en aluminium gebruiken, waarin in de jaren vijftig en zestig supergeleiding werd ontdekt.
"Een van de grootste uitdagingen in kwantumcomputing van vandaag heeft betrekking op hoe we supergeleiders nog beter kunnen laten presteren", voegde Biercuk eraan toe. "Onzuiverheden in de chemische samenstelling of de structuur van de afgezette metalen kunnen bijvoorbeeld bronnen van ruis en prestatievermindering in kwantumcomputers veroorzaken - deze leiden tot processen die bekend staan als decoherentie waarbij de 'kwantumheid' van het systeem verloren gaat."
Quantum computing vereist een delicate balans tussen de kwaliteit van een qubit en het aantal qubits, legde Zacharov uit. Elke keer dat een qubit interageert met de omgeving, zoals het ontvangen van signalen voor 'programmeren', kan het zijn verstrengelde staat verliezen.
"Hoewel we kleine vooruitgang zien in elk van de aangegeven technologische richtingen, is het nog steeds ongrijpbaar om ze te combineren tot een goed werkend apparaat", voegde hij eraan toe.
De 'Heilige Graal' van quantum computing is een apparaat met honderden qubits en lage foutenpercentages. Wetenschappers kunnen het niet eens worden over hoe ze dit doel zullen bereiken, maar een mogelijk antwoord is het gebruik van supergeleiders.
"Het toenemende aantal qubits in een supergeleidend siliciumapparaat benadrukt de behoefte aan gigantische koelmachines die grote operationele volumes kunnen aandrijven die dicht bij het absolute nulpunt liggen", zei Zacharov.
