Styrer den kvantefremtid: Fotonisk interferens og nye materialer

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

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

Quantum bits, or qubits, can be arranged in many different ways at once. This means they can represent both 0 and 1 simultaneously, a property called quantum superposition. Qubits can also be linked through quantum entanglement, where the connected particles share the same fate regardless of the distance between them.

Som følge heraf menes en kvantecomputer at have evnen til at udføre beregninger eksponentielt hurtigere end enhver klassisk computer.

Med denne fordel lover kvantecomputere at revolutionere moderne computing. Teoretisk kan de optimere logistik, bryde udbredte krypteringsmetoder, muliggøre opdagelsen af nye lægemidler og materialer samt hjælpe fysikere med at udføre fysiske simuleringer.

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

IBM har allerede lagt sin detaljerede plan ud, med Jay Gambetta, leder af IBMs kvanteinitiativ, der fortalte Financial Times, at det ikke længere er en drøm:

“Jeg føler virkelig, at vi har knækket koden, og vi vil kunne bygge denne maskine inden udgangen af årtiet.”

Mens Google, et Alphabet (GOOG ) ejet selskab, også er selvsikre i deres evne til at producere et industrielt skala system inden for denne tidsramme, forventer Amazon (AMZN ) et par årtier mere, før disse maskiner bliver virkelig brugbare.

Der er tydeligt et stærkt fokus på denne fremspirende teknologi blandt de største industrispillere, selvom deres virkelige adoption fortsat hindres af flere udfordringer.

Dette 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 fejle og introducere fejl i beregningerne. Denne følsomhed er en stor udfordring i opbygning og drift af kvantecomputere.

For at beskytte qubits mod ekstern interferens isolerer forskere dem fysisk, holder dem kølige eller giver dem koncentrerede energiburst.

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

Neglectoner: Oversete partikler i kvantecomputing

En af måderne at overvinde qubits’ skrøbelighed for at bygge stabile kvantecomputere er ved at kombinere dem med matematiske elementer, som tidligere blev betragtet som irrelevante.

Denne opdagelse blev rapporteret af matematikere i sidste uge, som bemærkede, at oversete partikler kaldet “neglectons” can help revolutionise the sector¹.

Kvasipartiklen, der diskuteres her, kaldes en Ising anyon, som kun findes i 2D-systemer og er kernen i topologisk kvantecomputing. Det betyder, at anyoner ikke gemmer information i partiklerne, men i den måde de løber omkring hinanden på, hvilket er langt mere støjresistent. Problemet er, at Ising anyoner ikke er universelle.

For at løse dette vendte holdet sig mod “non-semisimple topological quantum field theory.” This theory allows the prediction of new, unknown particles “just by understanding the symmetry of what happens.”

Ifølge dette har hver partikel en kvante-dimension, et tal der afspejler hvor meget “vægt” eller indflydelse den har i systemet. Mens partikler med nul vægt normalt kasseres, bevares de i de nye ikke-semisimple versioner, før man finder ud af, hvordan man får dette tal til ikke at være nul.

De omfortolket oversete dele giver de manglende kapaciteter for Ising anyoner.

Undersøgelsen viste, at med blot én neglecton er partiklens i stand til universel beregning blot gennem fletning. Bemærkelsesværdigt kan Ising anyoner skabe superpositioner, da de afhænger af formen på fletningsbanen og ikke præcise placeringer, og er naturligt beskyttet mod mange former for støj.

Træning af AI til effektiv omarrangering af atomer

I et andet tilfælde brugte forskerne used AI to assemble the ‘brain’ of a quantum computer².

Hvad holdet gjorde, var at de anvendte kunstig intelligens til at finde den mest optimale måde at hurtigt samle et netværk af atomer, som en dag kan fungere som en kvantecomputers hjerne.

Ifølge studiens medforfatter, Jian-Wei Pan, a physicist at the University of Science and Technology of China:

“AI for science is emerging as a powerful paradigm for addressing complex scientific problems.”

Når man bygger ‘neutral atom arrays’, er udfordringen at finde ud af, hvordan man omarrangerer dem på en “effektiv, hurtig og skalerbar måde”, som 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 bruges som qubits, bliver de fanget med laserlys og gemmer kvanteinformation i deres elektroners energiniveauer.

Ideen er at bruge nok atomer til at hjælpe en kvantecomputer med at overvinde fejl. Så trænede holdet AI-modellen i, hvordan rubidium (Rb) atomer kan placeres i forskellige gitterkonfigurationer ved brug af forskellige laserlysmønstre. Baseret på atomernes startpositioner kan AI-modellen beregne det præcise lysmønster, der kræves for at omarrangere dem til 2D- og 3D-former.

Ved at bruge deres AI-model samlede holdet et array på op til 2.024 rubidiumatomer på kun 60 millisekunder. Undersøgelsen bemærkede:

“Denne protokol kan let bruges til at generere fejlfri arrays af titusinder af atomer med nuværende teknologier og blive et nyttigt værktøjssæt til kvantefejlkorrektion.”

Magisk tilstandsdestination af logiske qubits

I mellemtiden opnåede forskere i sidste måned et ‘magic state’ breakthrough to build error-free quantum computers.

Forskere demonstrerede faktisk et fænomen kaldet ‘magic state distillation,’ som, selvom det blev foreslået for to årtier siden, ikke blev brugt i logiske qubits før nu. Dette på trods af, at det anses for kritisk for at producere ‘magic states,’ som er nødvendige for at udnytte kvantecomputernes fulde potentiale.

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

For deres anvendelse af algoritmer bliver de højeste kvalitet magiske tilstande først “renet” gennem en filtreringsproces kaldet magisk tilstandsdestination. Selvom dette er muligt på simple, fejlbehæftede fysiske qubits, er processen ikke mulig på logiske qubits, der er konfigureret til at opdage og korrigere fejl.

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

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

Som et resultat af dette overgår fideliteten af den endelige magiske tilstand enhver input-fidelitet, hvilket bekræfter, at forstyrrelsesresistent magisk tilstandsdestination faktisk fungerer i praksis.

Låse kvantehukommelse op med lydbølger

Nu, blot i sidste uge, offentliggjorde Caltech-forskere deres forskning, der demonstrerede lydbølger, som åbner endnu en vej til praktisk kvantecomputing.

De har bygget en hybrid kvantehukommelse, der omdanner elektrisk information til lyd. Dette gør det muligt for kvantetilstande at eksistere op til tredive gange længere end i standard superledende systemer, hvor omhyggeligt designede resonatorer tillader elektroner at danne superledende qubits, som udmærker sig i hurtige, komplekse operationer, men ikke er egnet til langtidslagring.

At lagre information i kvantetilstande fortsætter med at være en udfordring; for at løse dette skaber forskere “kvantehukommelser” til at holde kvanteinformation i en periode, der overstiger den for bredt anvendte superledende qubits. Og den nye hybride metode fra Caltech-holdet har udvidet kvantehukommelsen.

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

– Mohammad Mirhosseini, assistant professor of electrical engineering and applied physics

Så skabte holdet en superledende qubit på en chip og forbandt den til en lille enhed kaldet en mekanisk oscillator, som i bund og grund er en lille tuning-fork.

Denne oscillator er sammensat af fleksible plader, der vibrerer som svar på lydbølger med GHz-frekvenser. Ved påføring af en elektrisk ladning interagerer disse plader med elektriske signaler, der bærer kvanteinformation, hvilket tillader informationen at blive kanaliseret ind i enheden for lagring som en “hukommelse” og senere kanaliseret ud, eller “husket”.

Ved måling fandt forskerne, at oscillatorens levetid, dvs. den tid det tager at miste kvanteindhold, når information indføres i enheden, var omkring 30 gange længere end for de bedste superledende qubits.

Midt i al denne fremgang har to nye studier støttet af National Science Foundation opnået store gennembrud, der bringer os et skridt tættere på praktisk brug af kvantecomputere.

Nye kvantematerialer for stabile qubits

Et hold af forskere fra Chalmers University of Technology, University of Helsinki, og Aalto University har præsenteret et kvantemateriale, der kan ændre kvantecomputing for altid ved at gøre kvantecomputere mere stabile. Det gør det ved at bruge magnetisme til at beskytte de skrøbelige qubits mod støj.

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

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

På det seneste har forskere aktivt udforsket muligheden for at skabe helt nye materialer for at løse støjproblemet ved at give den nødvendige beskyttelse mod forstyrrelser i deres topologi.

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

Det seneste studie har med succes udviklet et sådant nyt kvantemateriale til qubits, der viser robuste topologiske excitationer.

Dette markerer et lovende skridt mod praktisk topologisk kvantecomputing 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 robusthed og ekstreme kvanteegenskaber, og søgningen efter sådanne materialer har længe været en udfordring.

Nu, når det kommer til holdets nye metode, er magnetisme nøglen. Hvad forskere traditionelt har gjort, er at følge en langvarig ‘opskrift’ baseret på spin-orbit kobling (SOC). Dette er en kvanteinteraktion, der forbinder en elektrons spin med dens orbitale bevægelse omkring atomkernen for at skabe topologisk excitation.

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

Ved at udnytte magnetiske interaktioner var holdet i stand til at skabe robuste topologiske excitationer, der er nødvendige for topologisk kvantecomputing.

“Fordelen ved vores metode er, at magnetisme naturligt findes i mange materialer. Du 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, inklusive dem der tidligere er blevet overset.”

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

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

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

Udnyttelse af den uudnyttede kraft fra fononer

Et andet gennembrud er blevet opnået af forskere fra Rice University, som kan bane vejen for næste generations teknologier inden for sensing og computing. Dette har vist en stærk form for interferens mellem fononer.

Fononer er vibrationer i strukturen af et materiale, som udgør de mindste enheder af varme eller lyd i systemet.

Når to fononer med forskellige frekvensfordelinger interfererer med hinanden, kaldes dette fænomen for Fano-resonans. Undersøgelsen rapporterede en Fano-resonans, der er to størrelsesordener større end nogensinde før.

“Selvom dette fænomen er velundersøgt for partikler som elektroner og fotoner, er interferens mellem fononer meget mindre udforsket,” sagde studiets første forfatter, Kunyan Zhang, en tidligere postdoc-forsker ved Rice. “Det er en gået mulighed, da fononer kan bevare deres bølgeadfærd i lang tid, hvilket gør dem lovende for stabile, højtydende enheder.”

Undersøgelsen har effektivt demonstreret, at fononer kan udnyttes lige så succesfuldt som lys eller elektroner, hvilket baner vejen for næste generations fonon-baseret teknologi. Grundlaget for dette gennembrud er brugen af et 2D-metal på en siliciumkarbid-base.

Mellem et lag af grafen og siliciumkarbid indsatte holdet et par lag af sølvatomer ved brug af confinement heteroepitaxy-teknikken, hvilket skabte en tæt bundet grænseflade med exceptionelle kvanteegenskaber.

“Det 2D-metal udløser og forstærker interferensen mellem forskellige vibrerende tilstande i siliciumkarbid og når rekordniveauer.”

– Zhang

Til deres arbejde udforskede holdet kun, hvordan fononer interfererer med hinanden. Til dette så de på deres signalform i Raman-spektroskopi, en teknik brugt til at måle et materiales vibrerende tilstande. Forskerne fandt en skarpt asymmetrisk linjeform, som i nogle tilfælde viste et komplet dip, der dannede et antiresonansmønster karakteristisk for intens interferens.

Denne effekt viste høj følsomhed over for siliciumkarbid (SiC) overfladens specifikationer.

Ved sammenligning af tre unikke SiC-overfladeterminationer fandt forskerne en stærk forbindelse mellem hver af dem og den unikke Raman-linjeform. Desuden ændrede spektret formen markant, da et enkelt farvestofmolekyle blev introduceret på overfladen.

“Denne interferens er så følsom, at den kan opdage tilstedeværelsen af et enkelt molekyle,” sagde Zhang. “Den muliggør mærkatfri enkeltmolekyle-detektion med et enkelt og skalerbart setup. Vores resultater åbner en ny vej for brug af fononer i kvantesensing og næste generations molekyle-detektion.”

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

Holdet observerede denne effekt kun i det 2D siliciumkarbid-system, de brugte, på grund af overfladekonfigurationerne og de specielle overgangsstier, som den tynde lag muliggør.

“Sammenlignet med konventionelle sensorer tilbyder vores metode høj følsomhed uden behov for specielle kemiske mærkater eller kompliceret enhedsopsætning,” sagde medforfatter Shengxi Huang, lektor i elektroteknik og datateknik samt materialvidenskab og nanoengineering ved Rice. “Denne fonon-baserede tilgang fremmer ikke kun molekylær sensing, men åbner også spændende muligheder inden for energihøst, termisk styring og kvanteteknologier, hvor kontrol af vibrationer er nøglen.”

Swipe to scroll →

Investering i kvantecomputing

Flere store teknologigiganter og investorer satser stort på kvantegennembrud. Dette inkluderer virksomheder som IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), og mange flere. De skalerer alle deres kvanteinitiativer, mens venturekapital fortsat flyder uafbrudt ind i startups, der udforsker nye materialer, fejlkorrektion og fonon-teknologier.

Microsoft (MSFT )

Blandt alle disse store navne skiller Microsoft sig markant ud. Det har presset både kvante- og fusionsinvesteringer, og præsenterer dem som komplementære teknologier til at drive AI-drevne datacentre i fremtiden. På samme måde afspejler Googles kvante-AI-lab og IBMs flerårige kvanteplaner deres mål om at opnå praktiske kvantemaskiner inden for årtiet.

Microsofts aktiekurs steg fra omkring $354 i begyndelsen af april 2025 til et toppunkt over $524 i august, før den faldt tilbage til omkring $509 pr. 19. august. Virksomhedens nuværende værdiansættelse inkluderer en P/E-ratio på 38,1, med indtjening pr. aktie (TTM) på $13,70 og en udbytteafkast på 0,59 %. For regnskabsåret 2025 udgjorde omsætningen $281,7 milliarder og nettoindkomsten $101,8 milliarder. Efterspørgslen efter deres cloud- og AI-forretninger hjælper især med at løfte deres præstation.

Seneste Microsoft Corporation (MSFT) aktienyheder og udviklinger

Konklusion

Kvantecomputere har evnen til at udføre komplekse beregninger med hastigheder langt over dem for klassiske computere, hvilket lover gennembrud inden for forskellige områder, herunder lægemiddelforskning, materialvidenskab, AI og kryptografi.

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

Klik her for en liste over de fem bedste kvantecomputingsvirksomheder.

Referencer:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universel kvanteberegning ved brug af Ising anyoner fra en ikke-semisimpel topologisk kvantefeltteori. Nature Communications, 16, 6408, offentliggjort 5. august 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (15. august 2025). AI hjælper med at samle ‘hjernen’ i fremtidens kvantecomputer. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, J. M., Jepsen, P. N., et al. Eksperimentel demonstration af logisk magisk tilstandsdestination. Nature, offentliggjort 14. juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., et al. En mekanisk kvantehukommelse for mikrobølgestråler. Nature Physics, offentliggjort 13. august 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, E. L., Lado, J. L., & Chen, G. Topologiske nultilstande og korrelationspumping i et konstrueret Kondo-gitter. Physical Review Letters, 134(11), 116605, offentliggjort marts 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Justerbar fononkvanteinterferens induceret af to-dimensionale metaller. Science Advances, 11, eadw1800, offentliggjort 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800