Lydbølger tilbyder gennembrud i lagring af kvanteinformation

Kvanteberegninger lover hidtil uset hastighed i løsningen af ​​komplekse problemer for at drive gennembrud inden for områderne kunstig intelligens, finans, logistik, materialevidenskab, lægemiddelforskning og kryptografi.

Men selvom teknologiens potentiale er enormt, er det ikke let at realisere dette, da det i praksis har vist sig at være virkelig vanskeligt at få kvantecomputere til at fungere og bruge dem til at løse virkelige problemer.

Kvanteberegning er stadig en eksperimentel teknologi, med forskere arbejder på at overvinde hindringerne at optræde nøjagtige simuleringer af fænomener på kvanteniveau. Et af de største problemer her er lagring af information en lang tid.

Denne skyldes, at selvom superledende qubits har store evner til at behandle kvanteinformation, har de ret begrænsede kohærenstider.

Kohærens er et kvantesystems evne til at opretholde forholdet mellem forskellige tilstande i en superposition. Denne grundlæggende egenskab tillader qubits at eksistere i en lineær kombination af basistilstande, hvilket muliggør den parallelisme og interferens, der er kernen i kvanteberegning. 

Kohærens er essentiel for at udføre kvanteoperationer, men den er ret skrøbelig og kan blive let fortabt selv gennem små interaktioner med omgivelserne.

Hvis der ikke er kohærens, mister qubitten kvanteopførselen, hvilket gør kvanteberegninger meningsløse. I mellemtiden er dekohærens den proces, hvorved kohærens mistes, og det fortsætter med at være en stor udfordring i forbindelse med at bygge og drive kvantecomputere.

Nu er superledende qubits en fysisk måde at realisere qubits på, og de er afhængige af at opretholde kvantekohærens for at fungere. Men selvfølgelig, dekohærens er fortsat deres største udfordring.

Superledende qubits er små kredsløb lavet af specifikke materialer, der udnytter kvantefænomener som superposition og entanglement til at udføre beregninger. Materialerne, der bruges til at lave et kredsløb, afkøles til næsten det absolutte nulpunkt for at gøre dem superledende, hvilket betyder, at de kan lede elektricitet uden modstand.

Selvom disse superledende qubits er bemærkelsesværdige til hurtige beregninger, kæmper de med at lagre information i længere perioder.

En grænseflade mellem fotoner og fononer kunne imidlertid tillade kvanteinformation at gemmes i mekaniske oscillatorer med lang levetid. Et team på Caltech har gjort netop det; de har introduceret en platform, der er afhængig af elektrostatiske kræfter i nanoskalastrukturer for at opnå en stærk kobling mellem en qubit og en nanomekanisk oscillator.

Energihenfaldstiden (T1) er omkring 25 ms, hvilket overstiger dem, der opnås i integrerede superledende kredsløb.

For at udforske rødderne til dekohærens samt reducere dens indvirkning, brugte teamet kvanteoperationer. Brugen af ​​dynamiske afkoblingssekvenser med to pulser hjalp dem med at opnå en længere kohærens tid (T2) på 1 ms, en forlængelse fra 64 μs.

resultaterne af undersøgelse viser, at i superledende enheder, mekaniske oscillatorer kan fungere som kvantehukommelser, med og potentiale til bruges inden for kvanteberegning, sensorer og transduktion.

Hvordan lydbølger lagrer kvantetilstande længere

Konventionelle computere som Bærbare computere og telefoner lagrer information i form af bits.

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

Kvantecomputere kan derimod have en tilstand, der er både nul og en på samme tid, hvilket kaldes superposition, og det er dét, der ligger bag kvantecomputeres løfte om at løse problemer, der ikke kan håndteres af 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 elektronernes kvantemekaniske natur flyder gennem resonatorer, skaber de superledende qubits.

Disse qubits er fantastiske til at udføre de logiske operationer, der kræves til databehandling. Men de er ikke rigtig gode til at lagre information, hvilket er repræsenteret ved matematiske deskriptorer af specifikke kvantesystemer. 

For at forbedre lagringstiderne for kvantetilstande har ingeniører undersøgt muligheden for at bygge 'kvantehukommelser' til superledende qubits.

Et team af forskere fra Caltech har taget en hybrid rute til disse kvantehukommelser. 

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

Denne muliggjorde kvantetilstandenes levetid at forlænges op til tredive gange mere end andre teknikker, hvilket lagde grundlaget for skalerbare, praktiske kvantecomputere med kapacitet ikke bare at beregne men husk også.

"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 fysik ved Caltech

Undersøgelsen er støttet af National Science Foundation og Air Force Office of Scientific Research. blev ført af Caltech-kandidatstuderende Alkim Bozkurt og Omid Golami og var offentliggjort¹ i tidsskriftet Nature Physics.

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

En mekanisk oscillator er et system, der viser oscillerende bevægelse. Det er væsentlige en mini-stemmegaffel, som i dette studies tilfælde består af fleksible plader. Disse plader er vibrerede ved hjælp af lydbølger ved gigahertz (GHz) frekvenser.

Når holdet placerede en elektrisk ladning på disse fleksible plader, kunne de interagere med elektriske signaler, der bar kvanteinformation, hvilket gjorde det muligt at transmittere den til enheden til lagring som en "hukommelse" og derefter sende den ud eller "huske" den senere.

Forskerne målt hvor længe det tog for oscillatoren at miste sit kvanteindhold, når information kom ind i enheden. 

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

– Mirhosseini

Denne metode til at konstruere en kvantehukommelse har forskellige fordele frem for andre teknikker. Akustiske bølger bevæger sig for eksempel langt 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, infrarødt lys, synligt lys, ultraviolet stråling, røntgenstråler og gammastråler. 

Stryg for at scrolle →

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

Akustiske bølger er i mellemtiden mekaniske bølger, ligesom lydbølger, der overfører energi gennem et medium som et fast stof, en væske eller en gas ved at få mediets partikler til at vibrere, komprimeres og udvides. Disse bølger er karakteriseret ved egenskaber som frekvens, amplitude og bølgelængde. Akustiske bølger omfatter en række frekvenser, herunder infralyd og ultralyd.

Fordi mekaniske vibrationer, i modsætning til elektromagnetiske bølger, ikke udbreder sig i frit rum, lækker energien ikke ud af systemet. og kan være stærkere indesluttet i et medie, hvilket muliggør forlængede opbevaringstider og afbøder uønsket energiudveksling mellem enheder i nærheden.

Disse fordele giver mulighed for mange sådanne stemmegafler at blive inkluderet i en enkelt chip, der giver en skalerbar vej til kvantehukommelser.

Undersøgelsen viser ifølge Mirhosseini minimal interaktion mellem akustiske og elektromagnetiske bølger behov at undersøge værdien af ​​dette hybridsystem til brug som et hukommelseselement. 

"For at denne platform virkelig kan være nyttig til kvanteberegning, skal man kunne indsætte kvantedata i systemet og udtage dem meget hurtigere. Og det betyder, at vi er nødt til at finde måder at øge interaktionsraten med en faktor på tre til ti ud over, hvad vores nuværende system er i stand til," sagde Mirhosseini. Og holdet har idéer I forhold til hvordan man opnår det.

Kvantehardware og -software: Vejen til kommerciel brug

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

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

På det tidspunkt var Mirhosseinis gruppe viste 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.

Holdet testede enheder i eksperimenter, der så ud til at være egnede til parring med superledende qubits, da de arbejder ved de samme meget høje GHz-frekvenser.

Mennesker hører i området fra hertz til kilohertz (op til ~20 kHz), hvorimod enhederne opererer ved gigahertz (milliarder af cyklusser pr. sekund) - omkring 50,000 gange højere i frekvens.

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

Som Mirhosseini bemærkede dengang, 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 bølger og lydbølger, og tab er en stor dræber i kvanteverdenen."

Den nye teknik, der er udviklet af Caltech-teamet, er derimod ikke afhængig af bestemte materialers egenskaber og er som sådan egnet til etablerede mikrobølgebaserede kvanteenheder.

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

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

Selvom Caltechs lydbølgeplatform er lovende, er den kun én del af en langt større forskningsindsats, der foregår over hele verden på tværs af institutioner. Forskere tester forskellige metoder til at overvinde udfordringerne med kvantecomputere. 

For eksempel har forskere fra University of Southern California vendte sig mod matematik².

De bruger neglectons til at løse nogle af problemerne med topologiske qubits. Denne klasse af teoretiske partikler, som er navngivet sådan for 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 et så overbevisende argument som muligt for andre forskere om, at den ikke-semisimple ramme ikke bare er gyldig, men en spændende tilgang til bedre at forstå kvanteteorien."

– Medforfatter Aaron Lauda

I mellemtiden kontrollerer forskere med en anden tilgang det lys, der udsendes af kvantepunkter, hvilket kan føre til billigere, hurtigere og naturligvis mere praktiske kvanteteknologier.

For dette er den forskningssamarbejde fandt en ny metode³ der er afhængig af stimuleret to-foton-excitation, hvilket tillader kvantepunkter at udsende fotonstrømme i forskellige polarisationstilstande uden behov for elektronisk omskifterhardware. Da forskerne blev testet, var i stand til til succes producere fremragende to-foton tilstande, mens holde bemærkelsesværdige enkeltfotonegenskaber.

"Det, der gør denne tilgang særligt elegant, er, at vi har flyttet kompleksiteten fra dyre, tabsfremkaldende elektroniske komponenter efter den enkelte fotonemission til det optiske excitationstrin, og det er et betydeligt skridt fremad i retning af at gøre kvantepunktkilder mere praktiske til virkelige anvendelser."

– Ledende forsker, Vikas Remesh

Så er der holdet fra The Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana-Champaign, som har præsenterede et højtydende modulært design⁴ til superledende kvanteprocessorer med ~99% nøjagtighed. 

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

Mens de fleste bestræbelser fortsat tydeligvis fokuserer på hardwaredelen af ​​kvantecomputere, ses der nu et skift mod software, da folk mener, at teknologien er "på nippet til at blive kommercielt levedygtig", og dermed har man brug for at gøre noget nyttigt med dem.

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

Phasecrafts algoritmer, dets administrerende direktør, Ashley Montanaro, mener, vil være i stand til at udføre "videnskabeligt vigtige" beregninger inden "næste forår", og nogle kommercielt nyttige applikationer 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-dobbelt reduktion af skalaen af ​​en kvantecomputer, der er nødvendig for at køre Shors algoritme, hvilket kan bruges at knække de mest anvendte former for kryptering i dag. 

Som svar har udvikleren Hunter Beast introducerede BIP 360 i et forsøg på at gøre Bitcoin (BTC) resistent over for kvanteberegning.

I mellemtiden validerede kvantecomputervirksomheden Norma ydeevnen af ​​​​sine kvante-AI-algoritmer til lægemiddeludvikling ved hjælp af NVIDIA CUDA-Q og observerede beregningshastigheder omkring 73 gange hurtigere.

Investering i kvantecomputere

Mange store navne forsker i superledende kvanteberegninger, og det inkluderer IBM (IBM ), Intel (INTC )og mange flere. Men i dag vil vi se nærmere på Honeywell International (HON ), som er stærkt involveret i kvanteberegning gennem sin majoritetsandel i Quantinuum. 

Kvantium, A Honeywell International (HON ) Firmanavn

Quantinuum er en kvantecomputervirksomhed, der blev dannet i 2021 ved en fusion af Cambridge Quantum og Honeywell Quantum Solutions. For at fremskynde udviklingen af ​​fejltolerante kvantecomputere, har den sikret finansiering fra investorer som JPMorgan Chase.

Sidste år, det demonstreret de mest pålidelige logiske qubits nogensinde. Quantinuum anvendte Microsofts banebrydende qubit-virtualiseringssystem med fejldiagnosticering og -korrektion på sin ionfældehardware for at køre mere end 14,000 individuelle eksperimenter uden en eneste fejl. 

Sidste måned, Quantinuum lanceret to nye open source-softwarekomponenter, herunder Guppy, et sprog hostet i Python, som er blevet beskrevet af dets administrerende direktør, Rajeeb Hazra, som "et paradigmeskift for udviklere", og en emulator kaldet Selene, som er en "digital tvilling", der efterligner kvanteadfærden for programmører til at teste og fejlfinde deres kode.

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

Så Virksomheden forfølger fremskridt inden for både kvantehardware og -software med sin forskning og kommercielle aktiviteter rettet mod AI, cybersikkerhed, kemisk simulering og andre applikationer.

Gennem Quantinuum har Honeywell avancerede kvantecomputere med fanget ion, som brug elektromagnetisk indfangede ioner som qubits til high-fidelity-beregninger til kunder in forskellige sektorer, herunder sundhedsvæsen, finans og forsyningsvirksomheder.

Det integrerede driftsselskab er hovedsageligt involveret i tre megatrends, som er automatisering, luftfart og energiomstilling. I mellemtiden betjener den sig gennem et par nøglesegmenter:

• Luftfartsteknologier
• Industriel Automation
• Bygningsautomation og energi
• Bæredygtighedsløsninger

Med en markedsværdi på 139.36 milliarder dollars handles HON-aktier i skrivende stund til 218.40 dollars, hvilket er et fald på 2.83% i år. Aktien har en indtjening pr. aktie (TTM) på 8.79 og en P/E (TTM) på 24.96. Udbytteprocenten er i mellemtiden 2.06%.

Hvad angår finansielle oplysninger, rapporterede Honeywell et salg på 10.4 milliarder dollars for andet kvartal af 2025. Indtjeningen pr. aktie var 2.45 dollars, og det justerede resultat pr. aktie var 2.75 dollars.

I denne periode gennemførte virksomheden et salg af PPE-forretningen for 1.3 milliarder dollars, afsluttede opkøbet af Sundyne for 2.2 milliarder dollars og annoncerede et opkøb af Johnson Mattheys Catalyst Technologies-forretning for 1.8 milliarder pund. Virksomheden tilbagekøbte også sine aktier for 1.7 milliarder dollars.

Administrerende direktør Vimal Kapur bemærkede vigtigheden af ​​at levere "fremragende resultater", hvor både organisk vækst og justeret resultat pr. aktie (EPS) overgik forventningerne på trods af uforudsigelig makroøkonomi.

"Med bygningsautomation i spidsen voksede salget i tre ud af fire segmenter med over 5 % i kvartalet, hvilket demonstrerer styrken i vores Accelerator-operativsystem til at tilpasse sig hurtigt og drive vækst, selv når forretningsforholdene ændrer sig," sagde Kapur, mens han bemærkede "lovende resultater fra vores øgede fokus på ny produktinnovation, hvilket yderligere understøttede væksten i vores rekordstore ordrebeholdning."

Konklusion

Kvanteberegninger kan føre til betydelige fremskridt inden for kunstig intelligens, sundhedspleje, materialevidenskab, cybersikkerhed og andre industrier. Men fremskridtet inden for denne teknologi afhænger ikke kun af qubit ydeevne men også om evnen til at lagre kvanteinformation pålideligt.

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 applikationer.

Klik her for en liste over de fem bedste kvantecomputere.

Referencer:

1. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., Tian, ​​H., & Mirhosseini, M. (2025). En mekanisk kvantehukommelse til mikrobølgefotoner. Naturfysik, (forhåndsudgivelse online), udgivet 13. august 2025. Modtaget 10. januar 2025; accepteret 17. juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. 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, offentliggjort 05. august 2025. Modtaget 13. oktober 2024; accepteret 18. juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passiv demultiplekset to-foton tilstandsgenerering fra en kvanteprik. npj Kvanteinformation, 11, 139, udgivet 11. august 2025. Modtaget 10. april 2025; accepteret 25. juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. Et højeffektivt elementært netværk af udskiftelige superledende qubit-enheder. Naturelektronik, 8, 610–619, udgivet 27. juni 2025 (udstedelsesdato juli 2025). Modtaget 08. september 2024; accepteret 23. maj 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3