Lydbølger giver gennembrud i lagring af kvanteinformation

Kvantcomputing lover en hidtil uset hastighed i løsning af komplekse problemer for at drive gennembrud inden for AI, finans, logistik, materialvidenskab, lægemiddelforskning og kryptografi.

Men selvom teknologens potentiale er enormt, er realiseringen ikke let, da det i praksis har vist sig at være meget svært at få kvantecomputere til at fungere og udnytte dem til at løse virkelige problemer.

Kvantcomputing er stadig en eksperimentel teknologi, med forskere arbejder på at overvinde forhindringerne for at udføre præcise simuleringer af kvanteniveau-fænomener. Et af de største problemer her er at lagre information i lang tid.

Dette skyldes, at selvom superledende qubits har store evner til at behandle kvanteinformation, har de relativt begrænsede koherenstider.

Koherens er evnen i et kvantesystem til at opretholde forholdet mellem forskellige tilstande i en superposition. Denne grundlæggende egenskab gør det muligt for qubits at eksistere i en lineær kombination af basis-tilstande, hvilket muliggør den parallelisme og interferens, der er kernen i kvantecomputing. 

Essentiel for udførelse af kvanteoperationer er koherens ret skrøbelig og kan let gå tabt gennem selv små interaktioner med miljøet.

Hvis der ingen koherens er, går den kvanteadfærd tabt for qubiten, hvilket gør kvanteberegninger meningsløse. Samtidig er decoherence processen, hvor koherens går tabt, og den forbliver en stor udfordring i opbygning og drift af kvantecomputere.

Nu er superledende qubits en fysisk måde at realisere qubits på, og de er afhængige af at opretholde kvantekoherens for at fungere. Men naturligvis forbliver decoherence deres største udfordring.

Superledende qubits er små kredsløb lavet af specifikke materialer, som udnytter kvantefænomener som superposition og sammenfiltring til at udføre beregninger. Materialerne, der bruges til at lave et kredsløb, køles ned til næsten absolut nul for at gøre dem superledende, hvilket betyder, at de kan lede elektricitet uden modstand.

Selvom disse superledende qubits er bemærkelsesværdige i hurtige beregninger, har de svært ved at lagre information i længere perioder.

Et interface mellem fotoner og fononer kan dog tillade kvanteinformation at blive lagret i langtidsholdbare mekaniske oscillatorer. Et team på Caltech har gjort netop dette; de har introduceret en platform, der afhænger af elektrostatiske kræfter i nanoskalastrukturer for at opnå stærk kobling mellem en qubit og en nanomekanisk oscillator.

Energiens nedbrydningstid (T1) er omkring 25 ms, hvilket overstiger dem, der er realiseret i integrerede superledende kredsløb.

For at undersøge årsagerne til decoherence samt reducere dens påvirkning brugte teamet kvanteoperationer. Anvendelsen af to-puls dynamisk decoupling-sekvenser hjalp dem med at opnå en længere koherenstid (T2) på 1 ms, en forlængelse fra 64 μs.

Resultaterne af undersøgelsen viser, at i superledende enheder kan mekaniske oscillatorer fungere som kvantehukommelse, med potentialet til at blive brugt i kvantecomputing, sensoring og transduktion.

Hvordan lydbølger gemmer kvantetilstande længere

Konventionelle computere som laptops og telefoner gemmer information i form af bits.

Bits er den mindste enhed af digital information, som er grundlæggende logiske elementer, der enten har en binær værdi på nul eller en.

Kvantcomputere kan derimod have en tilstand, der er både nul og en på samme tid, kendt som superposition, og dette er grunden til kvantecomputings løfte om at løse problemer, som ikke er håndterbare for vores klassiske computere.

Mange eksisterende kvantecomputere er baseret på superledende elektroniske systemer, hvor elektroner flyder uden modstand ved ekstremt lave temperaturer. I disse systemer, når den kvantemekaniske natur af elektroner flyder gennem resonatorer, skaber de superledende qubits.

Disse qubits er fremragende til at udføre de logiske operationer, der kræves for beregning. Men de er ikke særlig gode til at lagre information, som repræsenteres ved matematiske beskrivelser af specifikke kvantesystemer. 

For at øge lagringstiden for kvantetilstande har ingeniører undersøgt opbygning af ‘kvantehukommelse’ til superledende qubits.

Et team af forskere fra Caltech har valgt en hybrid tilgang til disse kvantehukommelse. 

Elektrisk information blev effektivt konverteret til lyd ved hjælp af denne tilgang. For at omsætte kvanteinformation til lydbølger brugte de en lille enhed, der fungerer som en miniature stemmegaffel.

Dette gjorde det muligt for levetiden af kvantetilstande at forlænges op til tredive gange mere end andre teknikker, og lagde grundlaget for skalerbare, praktiske kvantecomputere med kapacitet til ikke kun at beregne, men også huske.

“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, assisterende professor i elektroteknik og anvendt fysik ved Caltech

Støttet af finansiering fra National Science Foundation og Air Force Office of Scientific Research, blev studiet ledet af Caltech kandidatstuderende Alkim Bozkurt og Omid Golami og blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics.

Det beskrev fremstillingen af en superledende qubit på en chip, som derefter blev forbundet til en lille enhed kaldet en mekanisk oscillator.

En mekanisk oscillator er et system, der viser oscillerende bevægelse. Det er i bund og grund en mini stemmegaffel, som i dette studie består af fleksible plader. Disse plader vibreres ved hjælp af lydbølger ved gigahertz (GHz) frekvenser.

Da teamet placerede en elektrisk ladning på de fleksible plader, kunne de interagere med elektriske signaler, der bar kvanteinformation, hvilket gjorde det muligt at overføre den ind i enheden for lagring som en “hukommelse” og senere overføre den ud eller “huske” den.

Forskerne målte præcis, hvor lang tid det tog for oscillatorens kvanteindhold at forsvinde, når informationen kom ind i enheden. 

“Det viser sig, at disse oscillatorer har en levetid omkring 30 gange længere end de bedste superledende qubits derude.”

– Mirhosseini

Denne metode til konstruktion af en kvantehukommelse har forskellige fordele i forhold til andre teknikker. Akustiske bølger, for eksempel, bevæger sig meget langsommere end elektromagnetiske bølger, hvilket muliggør mere kompakte enheder.

Elektromagnetiske (EM) bølger er transversale bølger af oscillerende elektriske og magnetiske felter, der bærer energi gennem rummet. De produceres ved accelerationen af ladede partikler og omfatter et spektrum, herunder radiobølger, mikrobølger, infrarød, synligt lys, ultraviolet, røntgenstråler og gammastråler. 

Swipe to scroll →

Al elektromagnetisk stråling bevæger sig med lysets hastighed i et vakuum og kræver ikke et medium for at udbrede sig.

Imidlertid er akustiske bølger mekaniske bølger, som lydbølger, der overfører energi gennem et medium som fast stof, væske eller gas ved at få partiklerne i mediet til at vibrere, komprimere og udvide sig. Disse bølger karakteriseres ved egenskaber som frekvens, amplitude og bølgelængde. Akustiske bølger omfatter et spektrum af frekvenser, herunder infralyd og ultralyd.

Da mekaniske vibrationer, i modsætning til EM‑bølger, ikke udbreder sig i frit rum, lækker energien ikke ud af systemet og kan blive stærkere indeholdt i et medium, hvilket muliggør forlængede lagringstider og mindsker uønsket energioverførsel mellem nærliggende enheder.

Disse fordele giver mulighed for at mange sådanne stemmegaffler kan inkluderes i en enkelt chip, hvilket giver en skalerbar måde til kvantehukommelse på.

Undersøgelsen, ifølge Mirhosseini, viser minimal interaktion mellem akustiske og elektromagnetiske bølger, som er nødvendig for at undersøge værdien af dette hybride system som et hukommelseselement. 

“For at denne platform skal være virkelig nyttig for kvantecomputing, skal du kunne indsætte kvantedata i systemet og tage dem ud meget hurtigere. Og det betyder, at vi skal finde måder at øge interaktionsraten med en faktor på tre til ti ud over, hvad vores nuværende system kan,” sagde Mirhosseini. “Og teamet har idéer til, hvordan man kan opnå det.”

Kvanthardware og -software: Vejen til kommerciel brug

Den nye enhed, skabt af Caltech-forskere, har været under udvikling i et stykke tid nu.

For et par år siden, i deres tidligere arbejde, viste teamet, at lyd, især fononer, som er individuelle vibrationspartikler på samme måde som fotoner, kunne give en nem måde at lagre kvanteinformation på.

På det tidspunkt viste Mirhosseinis gruppe den nye metode i laboratoriet, hvor de udforskede fononer på grund af den relative bekvemmelighed ved at bygge små enheder, der kan lagre disse mekaniske bølger.

Teamet testede enheder i eksperimenter, der syntes egnede til at blive parret med superledende qubits, da de arbejder ved de samme meget høje GHz-frekvenser.

Humans hear in the hertz to kilohertz range (up to ~20 kHz), whereas the devices operate at gigahertz (billions of cycles per second)—around 50,000× higher in frequency.

De testede enheder havde også lange levetider og præsterede godt ved de lave temperaturer, der kræves for at bevare kvantetilstande med superledende qubits.

Som Mirhosseini bemærkede på det tidspunkt, har andre studier undersøgt piezoelektriske materialer, en særlig type materiale, som en måde at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi i kvanteapplikationer. Han tilføjede:

“Disse materialer har dog en tendens til at forårsage energitab for elektriske og lydbølger, og tab er en stor dræber i den kvanteverden.”

Den nye teknik, som er udviklet af Caltech-teamet, derimod, er ikke afhængig af specifikke materialers egenskaber og er derfor egnet til etablerede mikrobølge‑baserede kvanteenheder.

At bygge effektive lagringsenheder med kompakt størrelse er endnu en udfordring for dem, der udforsker kvanteapplikationer.

Denne udfordring adresseres også af den nye metode, som “muliggør lagring af kvanteinformation fra elektriske kredsløb i varigheder to størrelsesordener længere end andre kompakte mekaniske enheder,” sagde hovedforfatter Bozkurt, som er kandidatstuderende i Mirhosseinis gruppe.

Selvom Caltech’s lydbølgeplatform er lovende, er den kun en del af en meget større forskningsindsats, der foregår over hele verden på tværs af institutioner. Forskere tester forskellige metoder for at overvinde udfordringerne med kvantecomputere.

For eksempel har forskere fra University of Southern California vendt sig mod matematik.

vendt sig til matematik².

De bruger neglectoner til at løse nogle af problemerne med topologiske qubits. Denne klasse af teoretiske partikler, som er navngivet sådan på grund af, hvordan de blev afledt fra overset teoretisk matematik, kunne åbne en ny vej mod eksperimentelt at realisere universelle topologiske kvantecomputere.

“Mit mål er at fremlægge så overbevisende et argument som muligt for andre forskere om, at den non‑semisimple ramme ikke kun er gyldig, men også en spændende tilgang til bedre forståelse af kvanteteorien.”

– Medforfatter Aaron Lauda

Samtidig, i en anden tilgang, kontrollerer forskere lyset udsendt af kvanteprikker, hvilket kan føre til billigere, hurtigere og naturligvis mere praktiske kvanteteknologier.

fandt en ny metode³, der bygger på stimuleret to‑photon excitation, som gør det muligt for kvanteprikker at udsende fotonstrømme i forskellige polarisationstilstande uden behov for elektronisk skiftehardware. Da de blev testet, var forskerne i stand til succesfuldt at producere fremragende to‑photon tilstande, mens de bevarede bemærkelsesværdige enkelt‑photon egenskaber.

“Det, der gør denne tilgang særligt elegant, er, at vi har flyttet kompleksiteten fra dyre, tabsgivende elektroniske komponenter efter enkelt‑photon udsendelse til den optiske excitationsfase, og det er et betydeligt skridt fremad i at gøre kvanteprik‑kilder mere praktiske for virkelige anvendelser.”

– Hovedforsker, Vikas Remesh

Derefter er der teamet fra The Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana‑Champaign, som præsenterede et højtydende modulært design til superledende kvanteprocessorer med ca. 99 % pålidelighed.

Den modulære arkitektur, i modsætning til de restriktive monolitiske designs, tilbyder større skalerbarhed, lettere forbedringer og modstandsdygtighed over for uoverensstemmelser.

Mens de fleste indsatser tydeligt fortsat fokuserer på hardware‑delen af kvantecomputere, ses der nu en bevægelse mod software, da folk tror på, at teknologien er “på tærsklen til at blive kommercielt levedygtig”, og dermed har brug for noget nyttigt at gøre med dem.

I den forbindelse rejste kvantealgoritmevirksomheden Phasecraft 34 millioner dollars fra flere investorer, herunder investeringsselskabet knyttet til den danske medicinalgigant Novo Nordisk (NVO ).

Ifølge CEO Ashley Montanaro vil Phasecrafts algoritmer kunne udføre “videnskabeligt vigtige” beregninger inden “næste forår”, og nogle kommercielt nyttige anvendelser kan være tilgængelige “inden for de næste par år”.

Der er nu en voksende interesse for algoritmer. For nylig hævdede en forsker hos Google at have udtænkt en 20‑fold reduktion i skalaen af en kvantecomputer, der kræves for at køre Shors algoritme, som kan bruges til at knække nutidens mest udbredte former for kryptering.

Som svar har udvikleren Hunter Beast introduceret BIP 360 i et forsøg på at gøre Bitcoin (BTC) modstandsdygtig over for kvantecomputing.

Samtidig har kvantecomputingsvirksomheden Norma bekræftet ydeevnen af sine kvante‑AI‑algoritmer til lægemiddeludvikling ved brug af NVIDIA CUDA‑Q, og observeret beregningshastigheder omkring 73 gange hurtigere.

Investering i kvantecomputing

Mange store navne forsker i superledende kvantecomputing, herunder IBM (IBM ), Intel (INTC ) og mange flere. Men i dag ser vi på Honeywell International (HON ), som er stærkt involveret i kvantecomputing gennem sin majoritetsandel i Quantinuum.

Quantinuum, et Honeywell International (HON ) selskab

Quantinuum er en kvantecomputing‑virksomhed, der blev dannet i 2021 ved fusionen af Cambridge Quantum og Honeywell Quantum Solutions. For at accelerere udviklingen af fejl‑tolerante kvantecomputere har den sikret finansiering fra investorer som JPMorgan Chase.

Sidste år demonstrerede den de mest pålidelige logiske qubits nogensinde registreret. Quantinuum anvendte Microsofts banebrydende qubit‑virtualiseringssystem med fejldiagnostik og -korrektion på sin ion‑fælde hardware for at køre mere end 14.000 individuelle eksperimenter uden en eneste fejl.

Sidste måned lancerede Quantinuum to nye open source softwarekomponenter, herunder Guppy, et sprog hostet i Python, som er blevet beskrevet af CEO Rajeeb Hazra som “et paradigmeskift for udviklere”, og en emulator kaldet Selene, som er en “digital tvilling”, der efterligner den kvanteadfærd for programmører til at teste og fejlfinde deres kode.

Den nye fulde stack‑platform kommer som forberedelse til den kommende lancering af Quantinuums næste generations kvantecomputer Helios.

Således forfølger virksomheden fremskridt inden for både kvantehardware og -software med sine forsknings‑ og kommercielle aktiviteter, der retter sig mod AI, cybersikkerhed, kemisk simulering og andre anvendelser.

Gennem Quantinuum har Honeywell videreudviklet fangede‑ion kvantecomputere, som bruger elektromagnetisk fangede ioner som qubits til højpræcisionsberegninger, til kunder i forskellige sektorer, herunder sundhedspleje, finans og forsyningsvirksomheder.

Den integrerede driftsvirksomhed er primært involveret i tre megatrends, som er automatisering, luftfart og energitransition. Samtidig betjener den gennem nogle få nøglesegmenter:

• Rumfartsteknologier
• Industriel automatisering
• Bygningsautomatisering og energi
• Bæredygtighedsløsninger

Med en markedsværdi på 139,36 milliarder dollars, handles HON‑aktier, på tidspunktet for skrivning, til 218,40 $, ned 2,83 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 8,79 og en P/E (TTM) på 24,96. Udbytteafkastet er derimod 2,06 %.

Hvad angår økonomi rapporterede Honeywell et salg på 10,4 milliarder dollars for andet kvartal af 2025. Indtjening pr. aktie var 2,45 $, og justeret EPS var 2,75 $.

I denne periode gennemførte virksomheden et salg af PPE‑forretning til 1,3 milliarder dollars, afsluttede et køb af Sundyne til 2,2 milliarder dollars og annoncerede et køb af Johnson Mattheys katalystteknologiforretning til 1,8 milliarder pund. Virksomheden købte også 1,7 milliarder dollars af sine egne aktier tilbage.

CEO Vimal Kapur bemærkede betydningen af at levere “enestående resultater” med både organisk vækst og justeret EPS, der oversteg vejledningen trods uforudsigelig makroøkonomi.

“Med Bygningsautomatisering i front har tre ud af fire segmenter øget salget med mere end 5 % i kvartalet, hvilket demonstrerer kraften i vores Accelerator‑driftsystem til hurtigt at tilpasse sig og drive vækst, selv når forretningsforholdene ændrer sig,” sagde Kapur, mens han bemærkede “lovende resultater fra vores øgede fokus på ny produktinnovation, som yderligere understøttede væksten i vores rekordstore ordrer.”

Konklusion

Kvantcomputing kan føre til betydelige fremskridt inden for AI, sundhedspleje, materialvidenskab, cybersikkerhed og andre industrier. Men fremskridtet for denne teknologi afhænger ikke kun af qubit‑præstationer, men også af evnen til pålideligt at lagre kvanteinformation.

Caltech‑platformen tilbyder en plan for at opnå dette. Ved at integrere beregning og hukommelse i en enkelt chip bringer den nye udvikling feltet tættere på virkelige anvendelser.

Klik her for en liste over de fem bedste kvantecomputing‑virksomheder.

Referencer:

1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). . En mekanisk kvantehukommelse for mikrobølge‑fotoner. Nature Physics, (advance online publication), published 13 august 2025. Received 10 januar 2025; accepted 17 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w

2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universel kvanteberegning ved brug af Ising‑anyoner fra en non‑semisimple topologisk kvantefeltteori. Nature Communications, 16, 6408, published 05 august 2025. Received 13 oktober 2024; accepted 18 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8

3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passiv demultiplexet to‑photon tilstandsgenerering fra en kvanteprik. npj Quantum Information, 11, 139, published 11 august 2025. Received 10 april 2025; accepted 25 juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0

4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. Et høj‑effektivitets elementært netværk af udskiftelige superledende qubit‑enheder. Nature Electronics, 8, 610–619, published 27 juni 2025 (issue date juli 2025). Received 08 september 2024; accepted 23 maj 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3