Key takeaways
- Att göra praktiska kvantdatorer kan bero på att hitta bättre sätt att använda supraledande material som inte har något elektriskt motstånd.
- Forskare vid Oak Ridge National Laboratory har upptäckt en metod för att hitta länkade elektroner med extrem precision.
- Supraledande kvantdatorer slår för närvarande rivaliserande teknologier när det gäller processorstorlek.
Praktiska kvantdatorer kan snart komma med djupgående implikationer för allt från läkemedelsupptäckt till kodbrott.
I ett steg mot att bygga bättre kvantmaskiner, mätte forskare vid Oak Ridge National Laboratory nyligen den elektriska strömmen mellan en atomärt vass metallspets och en supraledare. Denna nya metod kan hitta länkade elektroner med extrem precision i ett drag som kan hjälpa till att upptäcka nya typer av supraledare, som inte har något elektriskt motstånd.
"Supraledande kretsar är den nuvarande föregångaren för att bygga kvantbitar (qubits) och kvantportar i hårdvara", sa Toby Cubitt, chef för Phasecraft, ett företag som bygger algoritmer för kvantapplikationer, till Lifewire i ett e-postmeddelande intervju. "Supraledande qubits är solid-state elektriska kretsar, som kan utformas med hög noggrannhet och flexibilitet."
Spooky Action
Kvantdatorer drar fördel av det faktum att elektroner kan hoppa från ett system till ett annat genom rymden med hjälp av kvantfysikens mystiska egenskaper. Om en elektron parar sig med en annan elektron precis vid den punkt där metall och supraledare möts, kan den bilda vad som kallas ett Cooper-par. Supraledaren släpper också ut en annan sorts partikel i metallen, känd som Andreev-reflektion. Forskarna letade efter dessa Andreev-reflektioner för att upptäcka Cooper-par.
A alto University / Jose Lado
Oak Ridge-forskarna mätte den elektriska strömmen mellan en atomärt vass metallspets och en supraledare. Detta tillvägagångssätt låter dem upptäcka mängden Andreev-reflektion som återgår till supraledaren.
Denna teknik etablerar en kritisk ny metod för att förstå den interna kvantstrukturen hos exotiska typer av supraledare, kända som okonventionella supraledare, vilket potentiellt tillåter oss att ta itu med en mängd olika öppna problem i kvantmaterial, Jose Lado, biträdande professor vid A alto-universitetet, som gav teoretiskt stöd till forskningen, säger i ett pressmeddelande.
Igor Zacharov, en senior forskare vid Quantum Information Processing Laboratory, Skoltech i Moskva, sa till Lifewire via e-post att en supraledare är ett materiatillstånd där elektroner inte förlorar energi genom att spridas på kärnorna när de leder elektrisk ström och den elektriska strömmen kan flyta oförminskat.
"Medan elektroner eller kärnor har kvanttillstånd som kan utnyttjas för beräkning, beter sig supraledande ström som en makrokvantenhet med kvantegenskaper", tillade han. "Därför återställer vi situationen där ett makrotillstånd av materia kan användas för att organisera informationsbehandling medan det har uppenbart kvanteffekter som kan ge det en beräkningsmässig fördel."
En av de största utmaningarna inom kvantberäkning idag handlar om hur vi kan få supraledare att prestera ännu bättre.
The Superconducting Future
Supraledande kvantdatorer slår för närvarande rivaliserande teknologier när det gäller processorstorlek, sa Cubitt. Google demonstrerade så kallad "quantum supremacy" på en supraledande enhet på 53 qubit 2019. IBM lanserade nyligen en kvantdator med 127 supraledande qubits, och Rigetti har tillkännagett ett 80-qubit supraledande chip.
"Alla kvanthårdvaruföretag har ambitiösa färdplaner för att skala sina datorer inom en snar framtid", tillade Cubitt. "Detta har drivits av en rad framsteg inom ingenjörskonst, som har möjliggjort utvecklingen av mer sofistikerade qubit-designer och optimering. Den största utmaningen för just denna teknik är att förbättra kvaliteten på grindarna, det vill säga att förbättra noggrannheten med vilken processorn kan manipulera informationen och köra en beräkning."
Bättre supraledare kan vara nyckeln till att göra praktiska kvantdatorer. Michael Biercuk, VD för kvantdatorföretaget Q-CTRL, sa i en e-postintervju att de flesta nuvarande kvantberäkningssystem använder nioblegeringar och aluminium, där supraledning upptäcktes på 1950- och 1960-talen.
"En av de största utmaningarna inom kvantberäkning idag handlar om hur vi kan få supraledare att prestera ännu bättre", tillade Biercuk. "Till exempel kan föroreningar i den kemiska sammansättningen eller strukturen hos de avsatta metallerna orsaka bruskällor och prestandaförsämring i kvantdatorer - dessa leder till processer som kallas dekoherens där systemets "kvantitet" går förlorad."
Quantum computing kräver en delikat balans mellan kvaliteten på en qubit och antalet qubits, förklarade Zacharov. Varje gång en qubit interagerar med omgivningen, som att ta emot signaler för "programmering", kan den förlora sitt intrasslade tillstånd.
"Medan vi ser små framsteg i var och en av de angivna tekniska riktningarna, är det fortfarande svårt att kombinera dem till en fungerande enhet", tillade han.
Kvantberäkningens "Heliga Graal" är en enhet med hundratals qubits och låga felfrekvenser. Forskare kan inte komma överens om hur de ska uppnå detta mål, men ett möjligt svar är att använda supraledare.
"Det ökande antalet qubits i en supraledande kiselanordning understryker behovet av gigantiska kylmaskiner som kan driva stora driftsvolymer nära absolut nolltemperatur", sa Zacharov.
