Caltech skalerer neutrale atom-qubits til 6.100 med optiske tweezere

Det er omkring fire årtier siden, at optiske tweezere blev udviklet, og de fortsætter med at revolutionere fysik, biologi og medicin den dag i dag.

Optiske tweezere er et bemærkelsesværdigt værktøj, der kan samle og flytte mikroskopiske objekter, såsom celler, atomer, molekyler og dråber, uden at røre dem. 

Disse værktøjer bruger fokuserede laserstråler til at manipulere objekter. Ved at bruge en stærkt fokuseret lysstråle, er de i stand til at holde mikroskopiske og sub-mikroskopiske partikler stabile i tre dimensioner.

Strålen fokuseres af et højkvalitets mikroskop til et punkt, der skaber en ‘optisk fælde’, som holder en partikel. Denne partikel oplever kræfter bestående af spredningslys og gradientkræfter på grund af dens interaktion med lyset.

Udviklet af den amerikanske fysiker Arthur Ashkin i 1986, som modtog Nobelprisen i fysik for det i 2018, gør optiske tweezere det muligt for forskere at studere enkelte bakterier, en sædcelle, DNA-strenge, interaktionen mellem enkelte partikler og lys, og meget mere.

I dag udgør disse videnskabelige instrumenter grundlaget for mange førende eksperimenter inden for simulering og kvantecomputing. 

For eksempel har forskere fra Afdelingen for Eksperimentel Fysik og Institut for Kvanteoptik og Kvanteinformation (IQOQI) for nylig fanget enkelte erbium-atomer¹ i optiske tweezere-arrays for første gang, hvilket udvider brugen af disse værktøjer ud over simple systemer til mere komplekse kvanteeksperimenter.

Denne slags eksperimenter, som fanger tit til hundrede atom-qubits, har for nylig opnået arrays på omkring tusind atomer.

At skalere dette til tusinder af atom-qubits med lavt tab, lange kohærens-tider og høj-fidelitets billeddannelse, hvilket er kritisk for fremskridt inden for kvantefejlkorrektion, har dog været en stor udfordring.

Swipe to scroll →

Dette er dog nu blevet eksperimentelt demonstreret af Caltech-forskere. De har med succes fanget 6.100 neutrale atomer i cirka 12.000 steder ved hjælp af et array af optiske tweezere. Samtidig oversteg de den “state-of-the-art præstation for flere metrikker, der understøtter platformens succes,” bemærkede teamet.

Forskerne demonstrerede en kohærens-tid på 12,6(1) sekunder, hvilket er en rekord for hyperfine qubits i et optisk tweezere-array. I omkring 23 minutter opnåede de en rekordhøj billeddannelses overlevelse på 99,98952(1)% med en billeddannelses nøjagtighed på over 99,99%.

Ifølge teamet antyder disse resultater, at universel kvantecomputing snart kan blive en realitet. 

Hvorfor fejlkorrektion dominerer kvantecomputings køreplan

Kvantecomputing har fanget interessen hos forskere og virksomheder verden over. 

Ifølge analytikere hos BofA forventes kvantecomputing-markedet at nå en værdi på cirka 4 milliarder dollars inden begyndelsen af det næste årti. 

‘Løftet om kvantecomputing er reelt,’ sagde analytikerne i en note til kunder, og tilføjede, at der stadig er flere forhindringer for teknologiens vækst, og når disse er overvundet, ‘forventer vi en meget mere betydningsfuld vendepunkt i indtægterne.’

Fortalere for kvantecomputing fremhæver dets potentiale til at transformere finans, sundhedspleje, logistik, cybersikkerhed, materialvidenskab og kunstig intelligens. 

Netop denne uge sagde HSBC Holdings, at de har opnået et verdensførende gennembrud i brugen af kvantecomputing på finansmarkederne. Den i London baserede bank brugte IBMs Heron kvanteprocessor i obligationshandel, hvilket gav en 34% forbedring i forudsigelsen af sandsynligheden for, at en obligation handles til en bestemt pris. 

Kvantebehandling blev anvendt på et anonymiseret sæt af europæiske obligationshandelsdata, hvor den viste evnen til betydeligt at forbedre markedets effektivitet.

Praktiske anvendelser af kvanteteknologi i andre sektorer er endnu ikke fast etableret, med kritikere der argumenterer for, at kvantecomputer-revolutionen ikke kun er langt ude i fremtiden, men også begrænset.

For eksempel udgav Google sent sidste år en ny chip kaldet Willow, som de sagde markerer et stort gennembrud inden for kvantecomputing, men bemærkede at den benchmark, der bruges til at måle dens ydeevne, har “ingen kendte anvendelser i den virkelige verden.”²

Alligevel anslår McKinsey, at værdien af kvanteteknologimarkedet kan stige til så højt som 100 milliarder dollars inden for et årti.

Disse tal er baseret på forventningen om, at visse problemer ikke kan løses af klassiske computere, men let kan håndteres af kvantecomputere, hvilket hjælper os med at forstå og manipulere andre kvantesystemer. 

Dog står kvantecomputing i øjeblikket over for betydelige udfordringer i form af decoherence, som gør qubits skrøbelige og tilbøjelige til fejl. Dette gør den dyre fejltolerance kritisk for pålidelig kvantecomputing.

Qubits eller kvantebits svarer til bits i klassiske computere. Men mens klassiske bits altid er enten 1 eller 0, kan kvantebits være begge på samme tid indtil deres tilstand måles, og tilstandene af flere qubits kan også være sammenfiltrede. 

Disse to fænomener, superposition (evnen for en qubit til at eksistere i flere tilstande samtidigt) og sammenfiltring (evnen for qubits til at være forbundet og dele den samme tilstand uanset afstand), giver kvantecomputere kapaciteter, som klassiske computere ikke har.

Begge disse er dog meget skrøbelige tilstande, som let kan ødelægges af den mindste interaktion med miljøet.

Fra elektromagnetisk interferens til temperaturændringer kan miljøfaktorer kollapsere disse egenskaber, hvilket fører til unøjagtige resultater. Så er denne skrøbelighed en af de største forhindringer for skalerbar og kraftfuld kvantecomputing, og derfor er en stor del af forskningen på området fokuseret på kvantefejlkorrektion (QEC).

En af måderne, forskere kompenserer for qubits’ skrøbelighed og korrigerer fejl på, er ved at bygge kvantecomputere med ekstra, redundante qubits. Dette betyder, at en robust kvantecomputer vil have hundredtusinder af qubits.

Caltechs rekordbrydende neutrale atom-array balancerer kvantitet og kvalitet

Arbejdende mod at bygge en kvantecomputer med mange qubits for at korrigere enhver fejl, har et team af forskere ved Caltech sat en rekord ved at skabe det største qubit-array, der er blevet samlet.

I alt er 6.100 neutrale atom-qubits blevet fastholdt i et gitter ved hjælp af laser. Tidligere indeholdt denne type array kun hundredevis af qubits.

Udgivet i Nature beskriver undersøgelsen med titlen “A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits³” dette milepæl, som benyttede neutrale atomer. 

Neutrale atomer er atomer uden netto elektrisk ladning. Så antallet af protoner er det samme som antallet af elektroner. 

Ved at udnytte deres interne energiniveauer kan forskere bruge neutrale atomer som qubits. Energieniveauer kan kontrolleres og manipuleres ved hjælp af laser og magnetfelter for at udføre specifikke operationer.

Da de er neutrale, interagerer atomerne ikke stærkt med hinanden, hvilket gør det muligt at fange store arrays af atomer og muliggør konstruktionen af stor-skala kvanteprocessorer. Desuden udviser neutrale atomer lange kohærens-tider, en anden faktor der gør dem gavnlige for kvanteberegning.

Men naturligvis er der udfordringer i form af behovet for præcis kontrol over fangst, køling og manipulation.

“Dette er et spændende øjeblik for neutral-atom kvantecomputing. Vi kan nu se en vej til store fejlkorrektionerede kvantecomputere. Byggestenene er på plads.”

– Hovedforsker på forskningen, Manuel Endres & en professor i fysik ved Caltech

Ledet af Caltech kandidatstuderende Hannah Manetsch, Gyohei Nomura og Elie Bataille, brugte undersøgelsen optiske tweezere til at fange tusindvis af individuelle cesium (Cs) atomer i et gitter. 

For at bygge atom-arrayet delte de en laserstråle i 12.000 tweezere, som holdt i alt 6.100 atomer i et vakuumkammer. “På skærmen kan vi faktisk se hver qubit som et lille lysprik,” sagde Manetsch. “Det er et slående billede af kvantehardware i stor skala.”

Selvom teamet formåede at sætte en ny rekord i skala, kom denne kvantitet ikke på bekostning af kvalitet, da de også opnåede lange kohærens-tider.

Teamet var i stand til at holde disse qubits i superposition i omkring 13 sekunder, hvilket er omkring ti gange længere end hvad lignende arrays tidligere har opnået. Desuden kunne de manipulere individuelle qubits med en nøjagtighed så høj som 99,98%.

Ifølge Nomura:

“Stor skala, med flere atomer, antages ofte at gå på bekostning af nøjagtighed, men vores resultater viser, at vi kan gøre begge dele. Qubits er ikke nyttige uden kvalitet. Nu har vi både kvantitet og kvalitet.”

Desuden viste teamet, at de kan flytte atomerne hundredevis af mikrometer (μm) over arrayet, mens de stadig opretholder superposition. Tænk på det som at balancere et glas vand mens du løber.

“At prøve at holde en atom mens du bevæger dig er som at forsøge at undgå at glasset med vand vælter. At også holde atomet i en superpositions-tilstand er som at være forsigtig så du ikke løber så hurtigt, at vandet sprøjter ud.”

– Manetsch

Denne evne er en nøglefunktion i neutrale atom-kvantecomputere, da den muliggør mere effektiv fejlkorrektion sammenlignet med superledende qubits.

Forskningen viser, at neutrale atomer er en stærk kandidat til at hjælpe os med at implementere kvantefejlkorrektion i skalaen af tusinder af fysiske qubits, hvilket er den næste store præstation for feltet.

“Kvantecomputere vil skulle kode information på en måde, der er tolerant over for fejl, så vi faktisk kan udføre værdifulde beregninger. I modsætning til klassiske computere kan qubits ikke blot kopieres på grund af den såkaldte ingen-klonings-sætning, så fejlkorrektion skal baseres på mere subtile strategier.”

– Bataille

Med den opnåede superpositions-tilstand, som spiller en afgørende rolle i informationsbehandling og -lagring, vil teamet nu arbejde på sammenfiltring, hvor de vil forbinde qubits i deres array, så partikler kan opføre sig som én. 

Ved at opnå tilstanden af sammenfiltring vil kvantecomputere kunne udføre fulde kvanteberegninger og simulere. Ved at udnytte sammenfiltring vil forskere også kunne gøre nye videnskabelige opdagelser.

“Det er spændende, at vi skaber maskiner, der hjælper os med at lære om universet på måder, som kun kvantemekanik kan lære os.”

– Manetsch

Nye fejlundertrykkende arkitekturer & hyper-sammenfiltring resultater

Endres og hans team har arbejdet med kvantecomputing i lang tid nu. Han specialiserer sig i at kontrollere enkelte atomer ved hjælp af optiske tweezere for at studere grundlæggende egenskaber ved kvantesystemer. 

Udover det rekordbrydende kvantesystem, der kontrollerer over 6.000 individuelle atomer, har hans teams eksperimenter ført til nye teknikker til at slette fejl i kvantemaskiner og en ny enhed, der kan levere verdens mest præcise ure.

I maj i år publicerede de en undersøgelse⁴ der tackler problemet med atomernes rystende bevægelse, som gør det svært at kontrollere systemet. Hvad de har gjort, er at de har brugt netop dette problem til at kode kvanteinformation.

“Vi viser, at atomisk bevægelse, som typisk behandles som en kilde til uønsket støj i kvantesystemer, kan omdannes til en styrke.”

Studiets medforfatter, Adam Shaw

Deres eksperiment kodede kvanteinformation i atomernes bevægelse og førte til en tilstand af hyper-sammenfiltring.

Dette betyder, at de individuelle elektroniske tilstande og bevægelsestilstande for de hyper-sammenfiltrede atompar var korrelerede. Deres demonstration, den første af hyper-sammenfiltring i massive partikler som neutrale atomer eller ioner, antyder yderligere, at endnu flere egenskaber kan sammenfiltrede samtidigt.

“Dette giver os mulighed for at kode mere kvanteinformation per atom,” sagde Endres. “Du får mere sammenfiltring med færre ressourcer.”

Til deres eksperimenter afkølede de et array af individuelle alkalijord-neutrale atomer fanget i optiske tweezere, og demonstrerede en ny form for afkøling via “detektion og efterfølgende aktiv korrektion af termiske bevægelsesexcitationer.”

Teamet måler i bund og grund bevægelsen af hver atom og derefter, afhængigt af resultatet, anvender en operation atom for atom.

Teknikken fik atomerne til næsten at stå helt stille. Atomerne blev derefter fremkaldt til at oscillere med en amplitude på 100 nanometer, hvilket exciterede dem til to forskellige oscillationer på samme tid, hvilket fik bevægelsen til at være i superpositions-tilstanden. 

De individuelle atomer blev derefter sammenfiltrede med partneratomer, som yderligere blev hyper-sammenfiltrede for at korrelere atomernes bevægelse og elektroniske tilstande.

“Grundlæggende var målet her at skubbe grænserne for, hvor meget vi kunne kontrollere disse atomer. Vi bygger i bund og grund en værktøjskasse: Vi vidste, hvordan vi kunne kontrollere elektronerne inden i et atom, og vi har nu lært at kontrollere den eksterne bevægelse af atomet som helhed. Det er som et atomlegetøj, du har fuldstændigt mestret.”

– Endres

I en anden undersøgelse fra Caltech demonstrerede et team af videnskabsfolk ved Caltech Center for Quantum Computing på universitetets campus en ny kvantechip-arkitektur⁵ designet til at undertrykke fejl. 

“For at kvantecomputere skal lykkes, har vi brug for fejlrater, der er omkring en milliard gange bedre end de er i dag,” sagde Oskar Painter, leder af kvantehardware hos AWS og professor i fysik ved Caltech. Mens fejlraterne falder, sker det i et langsomt tempo, “omkring en faktor to hver anden år,” så for at accelerere denne proces udvikler de en ny chip-arkitektur, selvom den er “en tidlig byggeklods.”

Forskerne bruger cat-qubits, som har betydeligt reduceret bit-flip fejl, med fase-flip fejl som de eneste der skal korrigeres. Dette betyder, at forskerne kan bruge en repetitionskode. I deres nye chip kaldet Ocelot betyder en klassisk repetitionskode, at der ikke er behov for så mange qubits til at korrigere fejl.

“Vi har demonstreret en mere skalerbar arkitektur, der kan reducere antallet af ekstra qubits, der er nødvendige for fejlkorrektion, med op til 90 procent.”

– Fernando Brandão, professor i teoretisk fysik ved Caltech og direktør for anvendt videnskab hos AWS

For at opnå dette kombinerer Ocelot-chippen fem cat-qubits, specielle bufferkredsløb for at stabilisere deres oscillation, og fire understøttende qubits til at opdage fasefejl. Repetitionskoden har vist sig effektiv til at fange fase-flip fejl, hvilket forbedres efterhånden som koden øges fra tre til fem cat-qubits.

Investering i kvanteteknologi

Nu er en af de reneste kvantecomputing-aktører på markedet IonQ (IONQ ), som anvender trapped-ion tilgangen for at gøre teknologien til virkelighed. Hvad der virkelig får den til at skille sig ud, er de høj-fidelitets porte, integration med store cloud-platforme, aggressive opkøb og stærk patentvækst, selvom skaleringsomkostninger udgør en stor udfordring.

IonQ (IONQ )

Grundlagt for et årti siden baseret på mange års forskning ved University of Maryland og Duke University, udvikler IonQ trapped-ion kvantecomputere. Målet med virksomheden er at bringe denne teknologi ind i kommercielle, industrielle og akademiske anvendelser. 

For dette er virksomheden fokuseret på ioniserede atomer, som den mener kan gøre det muligt for dens computere at udføre mere sofistikerede beregninger længere og med færre fejl.

Netop denne måned påstod IonQ at have opnået over 99,9% to-qubit gate-fidelitet på sine barium-udviklingsplatforme, hvilket bringer dem tættere på deres kommercielle system, IonQ Tempo.

Denne milepæl “markerer en kritisk tærskel for virksomhedsgradssystemer,” sagde IonQs SVP for Engineering og Technology, Dean Kassmann, og bemærkede at “jo bedre den oprindelige gate-fidelitet er, jo mindre fejlkorrektion i alle former er påkrævet. Højere fidelitet er også essentiel for hurtigere, mere præcise kvanteapplikationer.”

Brugen af barium-ion som qubits er et skift fra ytterbium-ion, som virksomheden arbejdede med i størstedelen af sin historie. Barium-ion er blevet valgt for deres øgede gate-hastigheder, højere oprindelige fidelitetsgrænse, bedre stabilitet, lavere fejl i tilstandspræparation/måling (SPAM) og overlegen samlet ydeevne. 

IonQ har også en robust portefølje af patenter, der nu har overskredet 1.000, hvilket ifølge dem positionerer virksomheden til at udvikle skalerbare, højtydende, omkostningseffektive systemer, og accelererer deres tidslinje for enestående kommerciel kvantefordel.

Per 29. september 2025 sluttede IONQ på $64,26 (rekordhøj $75,14 den 23. september 2025). Det er omkring 7,4× over $8,74 lukningen den 30. september 2024. Årets til dato præstation varierer efter kilde, men ligger generelt omkring +50–90%. Markedsværdien er cirka $20–22 mia.

Virksomheden har en EPS (TTM) på -2,02 og en P/E (TTM) på -33,35.

Hvad angår dens finanser rapporterede IonQ $20,7 millioner i omsætning for andet kvartal, der sluttede 30. juni 2025. Netto tab var $177,5 millioner. Kontanter, kontantekvivalenter og investeringer ved periodens slutning var $656,8 millioner.

I løbet af dette kvartal styrkede virksomheden sin balance gennem den største egenkapitalinvestering fra en enkelt institution i branchen. IonQ gennemførte også opkøbet af kvanteinterconnect-virksomheden Lightsynq og rumteknik-virksomheden Capella, og foreslog opkøbet af Oxford Ionics for $1,075 milliarder.

“Kombinationen af IonQ hardware- og softwareekspertise og Oxfords implementering af ion-fælde-på-en-chip giver teamet, IP, teknologi og momentum til at opnå 800 logiske qubits i 2027 og 80.000 logiske qubits i 2030.”  

– CEO Niccolo de Masi

I andet kvartal rapporterede IonQ at have opnået op til en 20× hastighedsforøgelse i en kvante-accelereret beregningskemi-arbejdsproces (til lægemiddeludvikling) i samarbejde med AstraZeneca (AZN ), NVIDIA (NVDA ) og AWS.

Seneste IonQ (IONQ) aktie nyheder og udviklinger

Konklusion

Kvanteteknologi forventes bredt at revolutionere industrier ved at løse komplekse problemer. Det rekordbrydende eksperiment ved Caltech viser, at stor-skala, fejlkorrektionerede kvantecomputere kan være ved at komme tættere på virkeligheden.

Med sådan forskning, sammen med nye arkitekturer, fremskridt inden for materialer og kommercielle aktører, der accelererer udviklingen, kan kvanteteknologi blive et universelt anvendeligt værktøj i de kommende år, som muliggør gennembrud inden for videnskab og samfund.

Klik her for en liste over top kvantecomputing-virksomheder.

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. Physical Review Letters, 133, 223402. Udgivet den 26 november 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (2024, 9. december). Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip. Google Research Blog. Hentet fra https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. Udgivet den 24 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. (Version of Record), published 24 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), published 26 februar 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7