Opbygning af næste generation af computere med kvanteudsendere og infrarøde lasere

Computerhistorien er sammenflettet med den moderne teknologis historie. Det hele begyndte i det 19. århundrede, da en fransk købmand og opfinder, Marie Jacquard, i 1801 opfandt en væv med perforerede trækort til automatisk at væve stofdesigns.

Den mest betydningsfulde fremgang inden for automatiseret beregning i det århundrede skete, da den engelske matematiker Charles Babbage udviklede en dampdrevet beregningsmaskine, der kunne udregne taltabeller. Den mest banebrydende opfindelse i det 20. århundrede kom i 1936 fra Alan Turing, en britisk videnskabsmand og matematiker, som introducerede en universalmaskine, senere kaldet Turingmaskinen. Forskere hævder, at konceptet for moderne computere grundlæggende er baseret på Alan Turings idéer.

Siden da har det været en kæde af fremskridt. I 1939 grundlagde David Packard og Bill Hewlett Hewlett Packard Company, og i 1953 udviklede Grace Hopper det første computersprog, COBOL, efterfulgt af John Backus og hans team af programmører hos IBM, som offentliggjorde et papir, der beskrev deres nyoprettede programmeringssprog FORTRAN.

Strømmen af opfindelser, der beriger computerteknologien gennem årene, har fokuseret på flere aspekter. Nogle gange har det været udviklingen af et banebrydende sprog eller software, og andre gange kritisk hardware. Sådanne opfindelser fortsætter med at ske og hjælper med at bygge næste generation af computere, noget virkelig ‘futuristisk’ i den mest ægte forstand af ordet.

I de følgende afsnit vil vi se på to sådanne opfindelser, der involverer kvanteudsendere og infrarøde lasere. 

Mod en stor gennembrud: En skalerbar kvantecomputer

Resultatet kommer fra et team af forskere ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Forskerne hævder, at de har haft succes med deres forsøg på at bruge et femtosekundlag til at skabe og ‘annullere’ qubits ved at doppe silicium med hydrogen. Forskerne understregede, at de kunne udføre denne øvelse på efterspørgsel og med præcision. 

Men for at kunne forstå forskningens betydning fuldt ud, skal vi vide, hvad qubits er, og hvorfor de er vigtige!

Behovet for at sammenkæde milliarder af qubits

Kvantecomputere kan vise sig banebrydende i deres evne til at løse problemer en million gange hurtigere end nogle af de mest avancerede supercomputere, der i dag er tilgængelige. Disse maskiner har potentialet til at indlede revolutionerende gennembrud inden for områder som sundhedspleje, farmaceutik og kunstig intelligens. Men for at alt dette skal ske, skal industrien finde en måde at sammenkæde milliarder af qubits eller kvantebits, hvilket vil føre til den ultimative udvikling af et yderst effektivt netværk af kvantecomputere.

Forskningen har nu vist en måde at styrke kvantecomputere på ved at bruge programmerbare optiske qubits eller ‘spin-foton qubits’, som kan forbinde kvantenoder på tværs af et fjernnetværk. 

Mens hun forklarede betydningen af forskningen og de resultater, den opnåede, udtalte Kaushalya Jhuria, postdoktoral forsker i Berkeley Labs Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Division, følgende bemærkning:

“For at skabe en skalerbar kvantearkitektur eller -netværk, har vi brug for qubits, der pålideligt kan dannes på efterspørgsel, på ønskede steder, så vi ved, hvor qubiten er placeret i et materiale. Og det er derfor, vores tilgang er kritisk. For når vi ved, hvor en specifik qubit sidder, kan vi bestemme, hvordan vi forbinder denne qubit med andre komponenter i systemet og skabe et kvantenetværk.”

Men hvordan opnår forskningen dette mål? Den gør det ved at danne qubits i silicium med programmerbar kontrol. 

Historien om silicons ‘farvecentre’ og ‘spin-foton qubits’

Med støtte fra DOE’s Office of Science, undersøgelse brugte et gasmiljø til at skabe programmerbare defekter kendt som “farvecentre” i silicium. Disse farvecentre er kandidater til “spin-foton qubits” eller specielle telekommunikationsqubits.

En kvante- eller qubit-bit er den grundlæggende enhed af kvanteinformation. Denne mindste komponent af et kvanteinformationssystem koder data i 1, 0 eller alt derimellem, hvilket er kendt som superposition. Spin-foton qubits udsender derimod fotoner med evnen til at bære information kodet i elektronspins over store afstande.

Nu, for at danne disse specielle qubits, der kan hjælpe med at understøtte et sikkert kvantenetværk præcist, brugte undersøgelsen en ultrahurtig laser, der kan udsende energipulser på blot femtosekunder — hver puls så kort som en kvadrilliontedel af et sekund, rettet mod et område ikke større end en støvpartikel.

Ved at undersøge de optiske (fotoluminescens) signaler fra de resulterende farvecentre ved hjælp af en nærinfrarød detektor med det formål at karakterisere dem, fandt holdet et Ci-center, som er en kvanteudsender. Ci-centret har en simpel struktur og lovende spin-egenskaber, mens det er stabilt ved stuetemperatur, hvilket gør det til en ret imponerende kandidat til spin-foton qubit, der udsender fotoner i telekommunikations- eller frekvensbåndet. Ifølge Jhuria:

“Vi vidste fra litteraturen, at Ci kan dannes i silicium, men vi forventede ikke at faktisk lave denne nye spin-foton qubit-kandidat med vores tilgang.” 

Interessant nok kan en øgning af femtosekundlaserens intensitet, når silicium behandles i nærvær af hydrogen, også øge hydrogens mobilitet. Dette passiverer uønskede farvecentre, mens siliciumgitteret forbliver uskadt.

En teoretisk analyse bekræftede også eksperimentelle observationer om, at lysstyrken af Ci-farvecentret kan øges betydeligt i nærvær af hydrogen. Som Jhuria forklarede, kan laserpulserne ikke kun fjerne, men også bringe hydrogenatomerne tilbage, “således at muliggøre den programmerbare dannelse af ønskede optiske qubits på præcise steder.” 

At pålideligt fremstille farvecentre er blot begyndelsen; nu ønsker holdet at få forskellige qubits til at kommunikere med hinanden og se, hvilke der præsterer bedst. 

“Evnen til at danne qubits på programmerbare steder i et materiale som silicium, der er tilgængeligt i stor skala, er et spændende skridt mod praktisk kvantenetværk og -beregning.”

– Cameron Geddes, Direktør for ATAP-afdelingen

Teknikken vil næste blive brugt til at indarbejde optiske qubits i kvanteenheder som bølgledere samt finde nye spin-foton qubit-kandidater med egenskaber optimeret til udvalgte anvendelser.

Nye tilgange til at opnå kvantecomputing: Arbejde med molekyler

Feltet for kvantecomputing har opnået betydelig fremdrift gennem årene, med forskere der konstant arbejder på at finde nye teknikker for at gøre det muligt. Manipulation af organiske molekyler er et område, der studeres for dets potentielle anvendelse i kvantecomputing. 

Teamet ved TU Graz undersøgte, hvordan man kan stimulere kompetente molekyler ved hjælp af infrarøde lysimpulser for at skabe små magnetfelter. Hvis denne teknik videreudvikles succesfuldt i eksperimenter, kan den endda anvendes i kvantecomputerkredsløb.

Dette skyldes, at selektiv manipulation af infrarødt lys faktisk gør det muligt at kontrollere retningen og styrken af magnetfeltet. Ved at gøre dette omdannes molekyler til højpræcisions optiske kontakter, som derefter kan bruges til at bygge kredsløb for en kvantecomputer, ifølge Andreas Hauser fra Institut for Eksperimentel Fysik ved TU Graz.

Selvom interaktioner mellem molekylære vibrationer og spinmagnetisme er veldokumenterede i mikrobølgespektroskopi, foreslår denne undersøgelse metoder til aktivt at excitere molekylære vibrationer, der genererer et magnetfelt på målrettede steder.

Stimulering af molekyler med infrarøde lasere for at danne magnetfelter

Når de bestråles med infrarødt lys, begynder molekylerne at vibrere på grund af energitilførslen. Ved at udnytte dette fænomen som udgangspunkt begyndte fysikere at undersøge, om disse vibrationer faktisk kunne bruges til at generere magnetfelter.

For deres beregning brugte Hauser sammen med sit team metal-fthalocyaniner som eksempel. Teamet fandt, at på grund af den høje symmetri af disse ringformede, aromatiske planære farvestofmolekyler, genererer de små magnetfelter i nanometerområdet (< 1 nm) når de udsættes for infrarøde pulser. Baseret på dette bør måling af styrken af det lave men præcist lokaliserede felt via nuklearmagnetisk resonansspektroskopi være muligt.

Udover at trække på arbejdet fra laser­spektroskopiens tidlige dage, brugte teamet også moderne elektronstrukturteori på supercomputere for at beregne, hvordan makrocykliske fthalocyaninmolekyler opfører sig, når de udsættes for lys via cirkulært polariseret infrarødt lys. 

Teamet fandt, at cirkulært polariseret lys bølger exciterer to molekylære vibrationer samtidigt i rette vinkler til hinanden. Ved at sammenligne dette med rumba-teknikken, forklarede Hauser:

“Den rette kombination af fremad-bagud og venstre-højre skaber en lille, lukket løkke. Og denne cirkulære bevægelse af hver påvirket atomkerne skaber faktisk et magnetfelt, men kun meget lokalt, med dimensioner i størrelsesordenen få nanometer.” 

Dette er alt sammen blot teoretisk, dog. Teamet vil nu arbejde på at bevise, at molekylære magnetfelter kan genereres på en kontrolleret måde eksperimentelt, så de faktisk kan anvendes. 

For eksperimentet skal de dog identificere et substrat, der interagerer minimalt med de målrettede processer, da kommende anvendelser kræver placering af fthalocyaninmolekylet på en overflade. At gøre dette ændrer dog de fysiske betingelser, hvilket så påvirker excitationen fremkaldt af lyset og magnetfeltets egenskaber.

Således, før det virkelig kan testes i eksperimenter, skal teamet først beregne samspillet mellem de deponerede fthalocyaniner, det infrarøde lys og støtte­materialet. Hvis eksperimentet bekræfter de forudsagte ændringer i magnetisk skjoldningskonstanter, kan undersøgelsen ifølge forfatterne betragtes som den første måling af et magnetfelt skabt vibratorisk, med intramolekylær opløsning. 

Klik her for at lære om Heron & Condor, de seneste fremskridt inden for kvantecomputing.

Virksomheder der fremmer feltet for kvantecomputing

Der er flere virksomheder, såsom Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) og D-Wave, der arbejder på at fremme kvantecomputing. IBM er et fremtrædende navn, som har fokuseret på kvantecomputing i mange år nu. For nylig partnerede med Japans National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) for at hjælpe sidstnævnte med at producere en kvantecomputer indeholdende 10.000 qubits inden dette årti er forbi. Så, midt i al denne udvikling, lad os se nærmere på nogle andre vigtige navne i sektoren:

#1. Google 

Tech-giganten har i mange år lagt stor indsats i at bygge kvantecomputere. Tilbage i 2019 demonstrerede Google for første gang, at kvantecomputere kunne køre en algoritme, som ville være umulig for en konventionel supercomputer at håndtere.

Sidste år blev Googles Sycamore kvanteprocessor præsenteret med 70 qubits, et spring fra den tidligere version med 53 qubits. Dette gør den omkring 241 millioner gange hurtigere og mere robust end den forrige model. Googles nye kvantecomputer simulerer derimod magneters opførsel i stor detalje og kan hjælpe os med at opnå en dybere forståelse af magnetisme.

Med hensyn til kvantecomputing anvender Google en fuld stack-tilgang, som omfatter en problemfri integration af hardware- og softwarekomponenter. Virksomheden kører i øjeblikket en 3-årig, $5M global konkurrence kaldet XPRIZE Quantum Applications for at fremme feltet for kvantealgoritmer.

Med en markedsværdi på $2,2 billioner handles Googles aktier til $177,08, op 26,88% YTD. Den har en EPS (TTM) på 6,52, en P/E (TTM) på 27,18, og en udbytteafkast på 0,45%. For Q1 2024 rapporterede virksomheden en omsætning på $80,5 milliarder, op 15% YoY, mens dens driftsmargin steg til 32%.

#2. Dell 

Dette teknologifirma har også begyndt at tage konkrete skridt inden for kvantecomputing. For nylig introducerede Dell en hybrid klassisk/kvanteplatform udviklet sammen med IonQ. Det annoncerede også et samarbejde med Aramco for at udforske fremskridt inden for kvantecomputing, AI og edge computing. Sammen sigter Aramco og Dell mod at løse komplekse udfordringer inden for energoptimalisering, vejrmodellering, materialvidenskab og forudsigende vedligeholdelse gennem kvantecomputing. 

Ifølge Dell Technologies (DELL ) Ireland MD Catherine Doyle vil kvantecomputing også hjælpe med AI-fremskridt, da den “bliver sammenflettet i den nærmeste fremtid.”

Med en markedsværdi på $100,74 milliarder handles Dell-aktier i øjeblikket til $144,50, op 85,66% YTD. Den har en EPS (TTM) på 4,36, en P/E (TTM) på 32,55, og en udbytteafkast på 1,25%. For Q1 2024 rapporterede virksomheden $22,2 mia. i omsætning og $60 mio. i nettoresultat.

Konklusion

Kvantecomputing har været et voksende interesseområde for forskere, organisationer og regeringer. På grund af dens evne til at tilbyde høj hastighed, forbedret sikkerhed, større effektivitet, præcis simulering og forbedret analyse, giver det mening, at der har været øget fokus sammen med fortsat forskning og investering, hvilket måske endelig vil se kvantecomputing blive en realitet og finde sin anvendelse på tværs af sektorer.

Klik her for at lære om den aktuelle tilstand af kvantecomputing.