Ny metasurface skaber skalerbar kvante-lyskilde

Løsning af Kvante Lys

Quantum computing rummer mange løfter, fra at løse ellers umulige beregninger, potentielt endda bryde alle eksisterende former for kryptering undervejs, til at skabe ultraeffektive computere med hensyn til energiforbrug.

Hvis kvantecomputere blev kraftige nok, kunne de fuldstændig revolutionere medicin gennem den øjeblikkelige beregning af proteiners 3D-konfiguration, materialvidenskab, klimamodellering eller endda træning af AI’er.

Sandsynligvis vil kommunikation mellem kvantechips og kvantecomputere foregå via brug af den elementære lys-partikel: fotoner.

Mere præcist er det sammenfiltrede fotoner, som interagerer med hinanden gennem kvanteeffekter, selv når de er adskilt. Især da det nu er bevist, at vi kan bruge almindelige optiske fibre til at transmittere kvantedata over mindst flere dusin kilometer.

Dog har produktion af sammenfiltrede fotoner været en enorm udfordring, og hæmmer muligheden for at skalere kvantecomputere op til en størrelse, pålidelighed og omkostningsniveau, hvor de er brugbare.

Der udvikles omveje, for eksempel produktionen af enkeltfotoner fra en ufuldstændig fotonkilde, gennem ikke-lineær optik og enkeltfoton-teleportation. At øge lys-kilders effektivitet ved brug af erbium er en anden potentiel mulighed.

Men i sidste ende kan mange af disse løsninger være for komplekse til at løse problemet, hvilket er grunden til, at et nyudviklet metamateriale kan ændre fremtiden for kvantecomputere. Denne nanoskalekomponent, som kan overføre skalerbar, lav-dekohærens kvanteinformation til lys, blev udviklet af forskere ved Harvard University og offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Science¹ under titlen “Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference“.

Kvantelyskilder

For at overføre data mellem en kvantecomputers underkomponenter og mellem forskellige kvantecomputere, skal kvantedata bevares. Dette opnås normalt gennem skabelsen af sammenfiltrede partikler, især fotoner.

Disse sammenfiltrede partikler vil replikere hinandens tilstand, selv når de er adskilt over store afstande.

Indtil nu har forskere inden for kvantecomputing primært brugt “traditionelle” metoder til at generere sammenfiltrede fotoner. Dette sker enten ved at lede fotonerne gennem bølgledere på udvidede mikrochips eller gennem klodsede enheder bygget af linser, spejle og strålefordelere.

Problemet er, at disse systemer er for store, komplekse og vanskelige at producere i tilstrækkelige mængder, så metoden kan skaleres op til de tal, der kræves af et kvantenetværk.

Et andet problem er “dekoherens”. Større matematisk kompleksitet opstår, når antallet af fotoner og dermed antallet af qubits begynder at stige.

Hver ekstra foton introducerer mange nye interferensveje, som i en konventionel opsætning ville kræve et hurtigt voksende antal strålefordelere og udgangsport.

Kvantemetasurface

Metamaterialer

Metamaterialer ændrer strukturen af et givet materiale, hvilket giver det andre egenskaber end de grundmaterialer, det er lavet af.

Dette opnås oftest ved at skabe gentagne mønstre af præcis form, geometri, størrelse, orientering osv. på nanoskala.

Skabelsen af regelmæssige mikrostrukturer på en kontrolleret måde kan føre til forbedret ydeevne af et materiale sammenlignet med dets grundkomponent. Dette kan påvirkes af mange forskellige egenskaber, såsom elektromagnetisk, akustisk, strukturel styrke, termisk osv.

Kilde: Science

Dette er, hvad Harvard-forskerne har skabt, med en ny type metasurfaces, flade enheder ætset med nanoskalapåvirkende lysmønstre.

“Vi introducerer en væsentlig teknologisk fordel, når det gælder løsning af skaleringsproblemet.

Nu kan vi miniaturere en hel optisk opsætning til en enkelt metasurface, som er meget stabil og robust.”

Kerolos M.A. Yousef – Graduate Student at Harvard

Hvordan Metasurface Muliggør Skalerbart Kvante Lys

Den matematiske kompleksitet af mange fotoner, der kræves til komplekse kvanteberegninger, kan håndteres med en gren af matematik kaldet grafteori. Forklaret enkelt bruger den punkter og linjer til at repræsentere forbindelser og relationer.

Kilde: Science

Selvom grafteori bruges i visse typer af kvantecomputing og kvantefejlkorrektion, er den endnu ikke blevet anvendt i forbindelse med metasurfaces, især ikke i deres design og drift.

Grafteori gjorde det muligt for forskerne at visuelt bestemme, hvordan fotoner interfererer med hinanden og forudsige deres virkninger i eksperimenter.

Ny Foton-sammenfiltringsenhed

Ved brug af grafteori og kommercielle fremstillingsteknikker for halvledere skabte forskerne “kompakte multiport-interferometre”.

De brugte grafteori til at kode både det fysiske design og de kvantekorrelationer, det producerer, ind i nanostrukturen af interferometrene.

“Det giver også nye indsigter i forståelsen, designet og anvendelsen af metasurfaces, især til generering og kontrol af kvante-lys. Med graf-tilgangen bliver metasurface-design og den optiske kvantetilstand på en måde to sider af samme mønt.”

Neal Sinclair – Research at Harvard University

De testede derefter dens ydeevne ved at bruge superledende nanotrådsdetektorer til at måle fotonadfærd.

Det viste, at denne tilgang giver mange fordele:

• Designet kræver ikke indviklede justeringer, hvilket gør fremstilling og opsætning meget lettere.
• Det er meget modstandsdygtigt over for forstyrrelser, med lave optiske tab.
• Det er enkelt at fremstille, hvilket gør det mere skalerbart og omkostningseffektivt.

Dette arbejde var primært fokuseret på de mulige anvendelser inden for kvantecomputing.

Det kunne dog også være nyttigt til kvantesensorik eller tilbyde “lab-på-en-chip” kapaciteter til grundlæggende videnskabelig forskning.

“Jeg er begejstret for denne tilgang, fordi den kan effektivt skalere optiske kvantecomputere og netværk — hvilket længe har været deres største udfordring sammenlignet med andre platforme som superledere eller atomer,”

Neal Sinclair – Research at Harvard University

Investering i Kvantecomputing

Honeywell / Quantinuum

Quantinuum er resultatet af fusionen mellem Honeywell Quantum Solutions og Cambridge Quantum.

Honeywell forbliver selskabets majoritetsaktionær (sandsynligvis 52% ejerskab) efter en kapitalrejsningsrunde, der værdiansatte det til $5 mia.. Grundlægger Ilyas Khan rapporteres at eje omkring 20% af selskabet. Andre aktionærer inkluderer JSR Corporation, Mitsui, Amgen (AMGN ), IBM og JP Morgan.

En potentiel børsnotering af Quantinuum i fremtiden, muligvis som en del af en større virksomhedsomstrukturering, anslås at kunne være så meget som $20 mia. og kan finde sted mellem 2026 og 2027.

Kvantemcomputing er ikke den centrale del af Honeywells forretning; den er mere fokuseret på produkter inden for luftfart, automatisering og specialkemikalier & materialer.

Hvert af disse områder kan dog drage fordel af kvantecomputing, især beregningskemi og kvante-cybersikkerhed, hvilket potentielt kan give Honeywell en fordel i forhold til sine konkurrenter.

Selskabets primære model lige nu er H2, en fanget-ion 56-qubit chip med 99,895% to-qubit gate-fidelitet.

De næste 3 generationer, der går op til 1000+ qubits, er allerede planlagt, med de kommende udgivelser planlagt til 2025, 2027 og 2029.

Kilde: Quantinuum

Den seneste version, kaldet Apollo, ville være gennembruddet, der muliggør utallige kommercielle anvendelser med kvantecomputing.

Afslutningsvis, gennem en kombination af fremskridt inden for hardware-parathed og QEC, har vi udsigt til Apollo inden udgangen af årtiet, en fuldt fejltolerant kvantefordelagtig maskine. Dette vil blive et kommercielt vendepunkt: der indleder en æra af videnskabelige opdagelser inden for fysik, materialer, kemi og mere.

Selskabet har forfulgt højkvalitetscomputing med meget få fejl, i stedet for at tilføje så mange fejlbehæftede qubits som muligt, og skaber såkaldt “fejltolerant kvantecomputing”.

Denne tilgang betegnes af selskabet som “Bedre qubits, bedre resultater”, hvor et tilsvarende antal qubits opnår 100-1.000 gange mere pålidelige resultater.

Kilde: Quantinuum

Dette kunne markant gøre en forskel i det akut nødvendige kvante-resistente kryptografi, med forsvarsselskabet Thales (HO.PA -0.96%) allerede i samarbejde med Quantinuum samt de internationale banker HSBC og JP Morgan.

Quantinuum tilbyder også sin proprietære kvanteberegningskemi InQuanto, som kan anvendes til farmaceutiske produkter, materialvidenskab, kemikalier, energi og luftfartsapplikationer.

Ligesom mange andre kvantecomputing-virksomheder tilbyder Quantinuum Helios, en “hardware-som-en-service”, der giver brugerne mulighed for at drage fordel af kvantecomputing uden at skulle håndtere kompleksiteten ved at drive systemet selv.

Quantinuum indgik i november 2024 et partnerskab med den tyske Infineon, Europas største halvlederproducent. Infineon vil bidrage med sin integrerede fotonik og kontrol-elektronik teknologi for at hjælpe med at skabe næste generation af fanget-ion kvantecomputere.

Efterhånden som integreret fotonik nærmer sig praktiske anvendelsestilfælde, er det nu klart, hvor vigtig dette partnerskab kan være for Quantinuums fremtid. På nuværende tidspunkt ser det ud til, at næste skridt for selskabet vil være at udgive verdens første AI-fokuserede fotonik-kvantechip.

“I de kommende måneder vil Quantinuum dele resultater fra igangværende samarbejder, som viser det banebrydende potentiale af kvante-drevne fremskridt inden for Generativ AI.

Den innovative Gen QAI-funktion vil forbedre og accelerere brugen af Metalliske Organiske Rammer til lægemiddellevering, baner vejen for mere effektive og personlige behandlingsmuligheder, med detaljer der vil blive afsløret ved lanceringen af Helios.

Quantinuum Announces Generative Quantum AI Breakthrough with Massive Commercial Potential

Meddelelsen i denne publikation er en del af en række nyheder relateret til den hurtige fremgang af AI‑kvantecomputing-forbindelsen, som er skabt hos Quantinuum.

Flere igangværende anvendelsestilfælde kunne stærkt øge virksomhedens fremtidige værdi, og dermed Honeywells andel i den, samt det potentielle overskud, investorer kunne opnå.

(Du kan også læse vores komplette rapport om Honeywells kerneforretning inden for sensorer, luftfartsdele og avancerede materialer, ud over deres involvering i Quantinuum)

Seneste Honeywell (HON) Aktienie Nyheder og Udviklinger

Studie Refereret

^{1. Kerolos M. A. Yousef, Marco D’Alessandro, Matthew Yeh, Neil Sinclair, Marko Loncar, and Federico Capasso. Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference. Science. 24 Jul 2025. Vol 389, Issue 6758 pp. 416-422. DOI: 10.1126/science.adw8404}