Drivkraften bag kvantefremtiden: Fonisk interferens og nye materialer

I modsætning til klassiske computere, såsom vores bærbare computere og smartphones, udnytter en kvantecomputer kvantefysikkens egenskaber til at udføre beregninger og lagre data, hvilket gør den bedre end selv nogle af nutidens bedste supercomputere til visse opgaver.

I modsætning til at kode information i binære bits (enten 0'ere eller 1'ere) som almindelige computere, den grundlæggende hukommelsesenhed i en kvantecomputer er en qubit, som er lavet ved hjælp af fysiske systemer som en elektrons spin eller en fotons orientering. 

Kvantebits eller qubits, kan arrangeres på mange forskellige måder på én gang. Denne betyder, at de kan repræsentere både 0 og 1 samtidigt, en egenskab kaldet kvantesuperposition. Qubits kan også være forbundet gennem kvantesammenfiltring, hvor de forbundne partikler deler samme skæbne uanset afstanden mellem dem.

Som et resultat, en kvantecomputer menes at have evnen til at udføre beregninger eksponentielt hurtigere end nogen klassisk computer. 

Med denne fordel lover kvantecomputere at revolutionere moderne databehandling. Teoretisk set kan de optimere logistik, bryde gængse krypteringssystemer, muliggøre opdagelsen af nye lægemidler og materialer og hjælpe fysikere med at udføre fysiske simuleringer. 

Selvom kvantecomputere endnu ikke er blevet en realitet, søgen efter at skabe en praktisk accelererer i takt med at store teknologivirksomheder arbejder på at skalere fra små laboratorieeksperimenter til fuldt fungerende systemer i de kommende år.

IBM har allerede fremlagt sin detaljerede plan, og Jay Gambetta, chef for IBMs kvanteinitiativ, fortæller Financial Times, at det ikke længere er en drøm:

"Jeg føler virkelig, at vi har knækket koden, og at vi vil være i stand til at bygge denne maskine inden udgangen af ​​årtiet."

Mens Google, en Alfabet (GOOG ) ejet virksomhed, er også overbevist om sin evne til at producere et system i industriel skala inden for denne tidsramme, Amazon (AMZN ) forventer, at disse maskiner virkelig bliver nyttige, om et par årtier.

Der er tydeligvis et stærkt fokus på denne nye teknologi blandt de største aktører i branchen, selvom deres implementering i den virkelige verden fortsat hæmmes af flere udfordringer.

Denne inkluderer qubits' modtagelighed for forstyrrelser i miljøet, også kendt som "støj". Faktorer som varme, vibrationer og elektromagnetiske felter kan få en qubit til at miste sine kvanteegenskaber. Denne proces, kendt som kvantedekohærens, får systemet til at gå ned og introducere fejl i beregninger. Denne følsomhed er en stor udfordring i forbindelse med at bygge og drive kvantecomputere.

For at beskytte qubits mod ekstern interferens isolerer forskere dem enten fysisk, holder dem kølige eller bekæmper dem med koncentrerede energiudbrud.

Udover støj er fejlkorrektion, skalerbarhed, specialiseret viden, ressourceintensivitet og integration med klassiske systemer andre udfordringer, som kvantecomputere står over for. Det gode er, at disse problemer aktivt adresseres af virksomheder og forskere gennem forskellige tilgange for at gøre kvantecomputere til virkelighed. 

Neglectoner: Oversete partikler i kvanteberegning

En af måderne at overvinde qubits' skrøbelighed i forhold til at bygge stabile kvantecomputere er ved at parre dem med matematiske elementer, der blev tidligere set som irrelevant. 

Denne opdagelse blev rapporteret af matematikere i sidste uge, som bemærkede, at oversete partikler kaldet "Neglectons" kan være med til at revolutionere sektoren¹.

Den kvasipartikel, der diskuteres her, kaldes en Ising-anyon, som kun findes i 2D-systemer og er kernen i topologisk kvanteberegning. Det betyder, at anyoner ikke lagrer information i partiklerne, men i den måde, de looper rundt om hinanden, hvilket er langt mere modstandsdygtigt over for støj. Problemet her er, at Ising-anyoner ikke er universelle.

For at imødegå dette, vendte holdet sig mod "ikke-semisimpel topologisk kvantefeltteori". Denne teori tillader forudsigelse af nye, ukendte partikler "blot ved at forstå symmetrien af, hvad der sker".

I henhold til dette har hver partikel en kvantedimension, et tal der afspejler, hvor meget "vægt" eller indflydelse den har i systemet. Mens partiklen med nulvægt generelt kasseres, er disse partikler i de nye ikke-semisimple versioner holdes før finde ud af hvordan få det nummer til ikke at være nul.

De genfortolkede forsømte stykker giver de manglende evner hos Ising anyons. 

Undersøgelsen viste, at partiklen med blot én neglecton er i stand til universel beregning blot gennem fletning. Det er værd at bemærke, at Ising-anyoner kan skabe superpositioner, da de afhænger af formen på fletningsbanen og ikke præcise placeringer, og er naturligt afskærmede fra mange slags støj.

Træning af AI til effektivt at omarrangere atomer

I et andet tilfælde forskerne brugte AI til at sammensætte 'hjernen' i en kvantecomputer².

Hvad hold gjorde var de brugte kunstig intelligens til at komme frem til den mest optimale måde at hurtigt sammensætte et netværk af atomer, der kan fungere som en kvantecomputers hjerne en dag i fremtiden.

Ifølge studiets medforfatter, Jian-Wei Pan, fysiker ved University of Science and Technology of China:

"AI til videnskab er ved at blive et stærkt paradigme til at løse komplekse videnskabelige problemer."

Når man bygger 'neutrale atomarrays', er udfordringen at finde en måde at omarrangere dem på en "effektiv, hurtig og skalerbar måde", hvilket AI løste.

Neutrale atomer, fangede ioner og superledende kredsløb bruges af forskere til at skabe qubits på grund af deres evne til at opretholde kvantetilstande i relativt lang tid. Når atomer anvendes som qubits, de er fanget med laserlys og lagre kvanteinformation i deres elektroners energiniveauer.

Ideen er at bruge nok atomer til at hjælpe en kvantecomputer med at overvinde fejl. Så trænede teamet AI-modellen i hvordan rubidium (Rb) atomer kan placeres i forskellige gitterkonfigurationer ved hjælp af forskellige mønstre af laserlys. Derefter kan AI-modellen, baseret på atomernes startplaceringer, beregne det nøjagtige lysmønster, der kræves for at omarrangere dem til 2D- og 3D-former.

Ved hjælp af deres AI-model samlede holdet en række af op til 2,024 rubidiumatomer på bare 60 millisekunder. Undersøgelsen bemærkede:

"Denne protokol kan let bruges til at generere defektfri arrays af titusindvis af atomer med nuværende teknologier og blive en nyttig værktøjskasse til kvantefejlkorrektion."

Magisk tilstandsdestillation af logiske qubits

I mellemtiden, sidste måned, forskere opnåede et gennembrud i en 'magisk tilstand'³ at bygge fejlfri kvantecomputere.

Forskerne demonstrerede faktisk et fænomen kaldet 'magisk tilstandsdestillation', som, selvom det blev foreslået for to årtier siden, ikke blev brugt i logiske qubits før nu. Denne er på trods af at det anses for afgørende for at producere 'magiske tilstande', hvilket er nødvendigt for at udnytte kvantecomputernes fulde potentiale.

Sådanne tilstande forberedes på forhånd til forbrug som ressourcer af komplekse kvantealgoritmer.

For at algoritmer kan anvende magiske tilstande, bliver de først "renset" gennem en filtreringsproces kaldet magisk tilstandsdestillation. Selvom det er muligt på simple, fejlbehæftede fysiske qubits, er denne proces ikke mulig på logiske qubits, der... er konfigureret at opdage og rette fejlene.

Nu har forskere for første gang vist magisk tilstandsdestillation i praksis på logiske qubits.

Ved hjælp af den neutrale atom-gemini-kvantecomputer destillerede forskerne fem uperfekte magiske tilstande til én renere magisk tilstand. Ved at udføre dette separat på en Distance-3 og en Distance-5 logisk qubit har forskerne vist, at destillationsprocessen skalerer med kvaliteten af den logiske qubit.

Som et resultat af dette overgår nøjagtigheden af ​​den endelige magiske tilstand enhver inputs nøjagtighed, hvilket bekræfter, at forstyrrelsesresistent destillation af magisk tilstand faktisk fungerer i praksis.

Lås op for kvantehukommelse med lydbølger

Nu, lige i sidste uge, offentliggjorde Caltech-forskere deres forskning, der viste Lydbølger åbner endnu en vej til praktisk kvanteberegning⁴.

De har bygget en hybrid kvantehukommelse, der omdanner elektrisk information til lyd. Denne tillader kvantetilstande at leve op til tredive gange længere end i standard superledende systemer, hvor omhyggeligt designede resonatorer tillader elektroner at danne superledende qubits, der udmærker sig ved at udføre hurtige, komplekse operationer, men er ikke egnede til langtidsopbevaring. 

Lagring af information i kvantetilstande er fortsat en udfordring, og for at imødegå denne udfordring skaber forskere "kvantehukommelser", der kan holde kvanteinformation i en periode, der overstiger den periode, som udbredte superledende qubits bruger. Og den nye hybridmetode fra Caltech-teamet har udvidet kvantehukommelsen. 

"Når du først har en kvantetilstand, vil du måske ikke gøre noget med den med det samme. Du skal have en måde at vende tilbage til den, når du vil udføre en logisk operation. Til det har du brug for en kvantehukommelse."

– Mohammad Mirhosseini, adjunkt i elektroteknik og anvendt teknik fysik

Så skabte holdet en superledende qubit på en chip og forbandt den til en lille enhed kaldet en mekanisk oscillator, som dybest set er en lille stemmegaffel. 

Denne oscillator er gjort op af fleksible plader, der vibrerer som reaktion på lydbølger med GHz-frekvenser. Ved påføring af en elektrisk ladning interagerer disse plader med elektriske signaler, der bærer kvanteinformation, hvilket gør det muligt for informationen at blive kanaliseret ind i enheden til lagring som en "hukommelse" og derefter kanaliseret ud eller "husket".

Ved måling fandt forskerne ud af, at oscillatoren havde en levetid, hvilket betyder den tid, det tager at miste kvanteindhold, når informationen er blevet er indtastet ind i enheden, som var omkring 30 gange længere end de bedste superledende qubits.

Midt i alle disse fremskridt har to nye studier støttet af National Science Foundation opnået større gennembrud, der bringer os endnu et skridt tættere på kvantecomputeres praktiske anvendelse.

Nye kvantematerialer til stabile qubits

Et forskerhold fra Chalmers Tekniske Universitet, Helsinki Universitet og Aalto Universitet har afsløret et kvantemateriale, der kan ændre kvantecomputere for altid ved at gøre kvantecomputere mere stabile. De gør det ved at bruge magnetisme til at beskytte de skrøbelige qubits mod støj. 

Når dette gennembrud kombineres med deres beregningsværktøj til at finde materialer med magnetiske interaktioner, kan det endelig føre til praktiske, fejltolerante kvantecomputere.

Den nye type kvantemateriale, sammen med en metode til at opnå stabilitet, kan gøre kvantecomputere mere robuste og derved bane vejen for deres praktiske anvendelse i håndtering af kvanteberegninger.

I den seneste tid har forskere aktivt undersøgt muligheden for at skabe helt nye materialer til at løse støjproblemet ved at yde den nødvendige beskyttelse mod forstyrrelser i deres topologi.

Kvantetilstande, der opstår, og er vedvarende gennem selve materialets iboende struktur, der bruges til at skabe qubits, kaldes topologiske excitationer. Og disse er robuste og stabile. Udfordringen er dog fortsat at finde materialer, der naturligt understøtter robuste kvantetilstande.

Den seneste undersøgelse har med succes udviklet en sådan Nyt kvantemateriale til qubits, der udviser robuste topologiske excitationer⁵.

Denne markerer et lovende skridt mod praktisk topologisk kvanteberegning ved at have stabilitet indbygget direkte i materialets design.

Ifølge studiets hovedforfatter, Guangze Chen, en postdoc-forsker i anvendt kvantefysik ved Chalmers:

"Dette er en helt ny type eksotisk kvantemateriale, der kan bevare sine kvanteegenskaber, når det udsættes for eksterne forstyrrelser. Det kan bidrage til udviklingen af kvantecomputere, der er robuste nok til at håndtere kvanteberegninger i praksis."

'Eksotiske kvantematerialer' refererer til flere nye klasser af faste stoffer med dyb elasticitet og ekstreme kvanteegenskaber, og søgningen efter sådanne materialer har længe været en udfordring.

Når det kommer til holdets nye metode, er magnetisme nøglen. Det, forskere traditionelt har gjort, er at følge en veletableret 'opskrift' baseret på spin-orbit-kobling (SOC). Denne er en kvanteinteraktion, der forbinder en elektrons spin med dens orbitale bevægelse omkring atomkernen for at skabe topologiske excitationer. 

Men dette er ret usædvanligt og kan kun bruges på et begrænset antal materialer. Derfor har holdet præsenteret en ny metode til at opnå den samme effekt. Den nye metode anvender magnetisme, som er mere almindelig og tilgængelig.

Ved at udnytte magnetiske interaktioner var teamet i stand til at skabe robuste topologiske excitationer, der er nødvendige til topologisk kvanteberegning.

"Fordelen ved vores metode er, at magnetisme findes naturligt i mange materialer. Man kan sammenligne det med at bage med hverdagsingredienser i stedet for at bruge sjældne krydderier," bemærkede Chen. "Det betyder, at vi nu kan søge efter topologiske egenskaber i et meget bredere spektrum af materialer, herunder dem, der tidligere har været blevet overset".

Udover et nyt materiale og en ny metode udviklede forskerne også et helt nyt beregningsværktøj.

Værktøjet hjalp dem med at finde nye materialer med de ønskede topologiske egenskaber hurtigere. Det kan direkte beregne, hvor stærk et materiales topologiske adfærd er.

"Vores håb er at denne tilgang kan hjælpe med at finde mange flere eksotiske materialer,” sagde Chen. “I sidste ende kan dette føre til næste generations kvantecomputerplatforme, bygget på materialer, der er naturligt modstandsdygtige over for den slags forstyrrelser, der plager nuværende systemer.”

Udnyttelse af fononernes uudnyttede kraft

Endnu et gennembrud har er nået af forskere fra Rice University, hvilket kan bane vejen for næste generations teknologier inden for sensorer og databehandling. Denne har vist en stærk form for interferens mellem fononer⁶.

Fononer er vibrationer i et materiales struktur, der udgør de mindste enheder af varme eller lyd i det pågældende system. 

Når to fononer med forskellig frekvensfordeling komme i indblanding med hinanden, er dette fænomen kendt som Fano resonansUndersøgelsen rapporterede en Fano-resonans på to størrelsesordener større end nogensinde før.

"Selvom dette fænomen er velundersøgt for partikler som elektroner og fotoner, er interferens mellem fononer været meget mindre udforsket", sagde studiets førsteforfatter, Kunyan Zhang, en tidligere postdoc-forsker ved Rice. "Det er en spildt mulighed, da fononer kan opretholde deres bølgeadfærd i lang tid, hvilket gør dem lovende til stabile, højtydende enheder."

Undersøgelsen har effektivt vist, at fononer kan udnyttes lige så effektivt som lys eller elektroner, hvilket baner vejen for en ny generation af fononbaseret teknologi. Grundlaget for dette gennembrud er brugen af et 2D-metal oven på en base af siliciumcarbid.

Mellem et lag af grafen og siliciumcarbid indsatte holdet et par lag af sølvatomer ved hjælp af indespærrings-heteroepitaxi-teknikken, hvilket producerede en tæt bundet grænseflade med exceptionelle kvanteegenskaber.

"2D-metallet udløser og forstærker interferensen mellem forskellige vibrationstilstande i siliciumcarbid og når rekordniveauer."

– Zhang

I deres arbejde udforskede teamet lige hvordan fononer interfererer med hinanden. Til dette formål undersøgte de deres signalform i Ramanspektroskopi, en teknik, der bruges til at måle et materiales vibrationstilstande. Forskerne fandt en skarpt asymmetrisk linjeform, som i nogle tilfælde udviste et fuldstændigt fald, hvilket dannede et antiresonansmønster, der er karakteristisk for intens interferens.

Denne effekt viste høj følsomhed over for siliciumcarbid (SiC) overfladens specificiteter.

Da forskerne sammenlignede tre unikke SiC-overfladetermineringer, fandt de en stærk forbindelse mellem hver af dem og den unikke Raman-linjeform. Desuden ændrede formen af den spektrale linje sig markant, når et enkelt farvestofmolekyle Blev introduceret til overfladen.

"Denne interferens er så følsom, at den kan detektere tilstedeværelsen af et enkelt molekyle," sagde Zhang. "Den muliggør mærkningsfri detektion af enkeltmolekyler med en simpel og skalerbar opsætning. Vores resultater åbner en ny vej for brugen af fononer i kvantemåling og næste generations molekylær detektion."

Når man ser på effektens dynamik ved lave temperaturer, det blev bekræftet at interferensen udelukkende kommer fra fonon-interaktioner og ikke elektroner, hvilket gør det til et sjældent tilfælde af kun fonon-kvanteinterferens. 

Holdet observerede kun denne effekt i det 2D siliciumcarbidsystem, de brugte, på grund af overfladekonfigurationerne og de særlige overgangsveje, der muliggøres af det tynde lag.

"Sammenlignet med konventionelle sensorer tilbyder vores metode høj følsomhed uden behov for specielle kemiske mærkninger eller kompliceret enhedsopsætning," sagde medforfatter Shengxi Huang, lektor i elektroteknik og datalogi og materialevidenskab og nanoengineering hos Rice. "Denne fononbaserede tilgang fremmer ikke kun molekylær sensing, men åbner også op for spændende muligheder inden for energi." høstning, termisk styring og kvanteteknologier, hvor kontrol af vibrationer er nøglen.”

Stryg for at scrolle →

Investering i kvantecomputere

Flere store tech-giganter og investorer satser stort på kvanteteknologiske gennembrud. Dette inkluderer f.eks. IBM (IBM ), Google, Amazon, microsoft (MSFT ), og mange flere. De skalerer alle deres kvanteinitiativer, mens venturekapital fortsat strømmer uafbrudt ind i startups, der udforsker nye materialer, fejlkorrektion og fononiske teknologier.

microsoft (MSFT )

Blandt alle disse store navne skiller Microsoft sig markant ud. Virksomheden har promoveret investeringer i både kvanteteknologi og fusionsteknologi og præsenteret dem som komplementære teknologier til at drive AI-drevne datacentre i fremtiden. På samme måde afspejler Googles kvante-AI-laboratorium og IBMs flerårige kvanteplaner deres mål om at opnå praktiske kvantemaskiner inden for årtiet.

Microsofts aktiekurs steg fra omkring 354 dollars i starten af april 2025 til et højdepunkt over 524 dollars i august, før den faldt tilbage til omkring 509 dollars pr. 19. august. Virksomhedens nuværende værdiansættelse inkluderer et P/E-forhold på 38.1, med en indtjening pr. aktie (TTM) på 13.70 dollars og et udbytte på 0.59%. Og for regnskabsåret 2025 lå omsætningen på 281.7 milliarder dollars og nettoindkomsten på 101.8 milliarder dollars. Især efterspørgslen efter virksomhedens cloud- og AI-forretninger er med til at forbedre dens præstation.

Seneste Microsoft Corporation (MSFT) Aktienyheder og udviklinger

Konklusion

Kvantecomputere kan udføre komplekse beregninger med hastigheder langt over der overgår klassiske computeres, hvilket lover at muliggøre gennembrud inden for forskellige områder, herunder lægemiddelforskning, materialevidenskab, kunstig intelligens og kryptografi.

Men kvantecomputere er selvfølgelig langt fra en realitet stadig, der står over for udfordringer som støj, skalerbarhed, stabilitet, lagring, hukommelse og kontrol. På den positive side gør forskerne dog konstante fremskridt på alle disse forskellige fronter, og sammen bringer de os tættere på at låse op for praktiske kvantecomputere!

Klik her for en liste over de fem største virksomheder inden for kvantecomputere.

Referencer:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universel kvanteberegning ved hjælp af Ising-anyoner fra en ikke-semisimpel topologisk kvantefeltteori. Nature Communications, 16, 6408, udgivet 05. august 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025. august 15). Kunstig intelligens hjælper med at sammensætte 'hjernen' i fremtidens kvantecomputer. Natur. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, JM, Jepsen, PN, et al. Eksperimentel demonstration af logisk magisk tilstandsdestillation. Natur, udgivet 14. juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., et al. En mekanisk kvantehukommelse til mikrobølgefotoner. Naturfysik, udgivet 13. august 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, EL, Lado, JL, & Chen, G. Topologiske nultilstande og korrelationspumpning i et konstrueret Kondo-gitter. Physical Review Letters, 134(11), 116605, udgivet marts 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Afstemmelig fononisk kvanteinterferens induceret af todimensionelle metaller. Science Forskud, 11, eadw1800, udgivet 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800