Uusi metasurface luo skaalautuvan kvanttivalon lähteen

Ratkaisemassa kvanttivaloa

Kvanttitietokoneet tarjoavat monia lupauksia, alkaen muuten mahdottomien laskelmien ratkaisemisesta, mahdollisesti jopa kaikkien nykyisten salausmenetelmien murtamisesta, sekä erittäin energiatehokkaiden tietokoneiden luomisesta energian kulutuksen näkökulmasta.

Jos kvanttitietokoneet tulisivat riittävän voimakkaiksi, ne voisivat mullistaa lääketieteen täysin hetkellisellä proteiinien 3D-rakenteen laskennalla, materiaalitieteen, ilmastomallinnuksen tai jopa tekoälyn kouluttamisen avulla.

Todennäköisesti kvanttipiirien ja kvanttitietokoneiden välinen viestintä tapahtuu valon peruspartikkelin, fotonin, avulla:

Tarkemmin sanottuna lomittuneet fotonit, jotka vaikuttavat toisiinsa kvanttiefektien kautta, vaikka ne olisivat erillään. Erityisesti kun on nyt todistettu, että voimme käyttää tavallisia optisia kuituja kvanttidata‑siirtoon vähintään kymmenien kilometrien etäisyydellä.

Kuitenkin lomittuneiden fotonien tuottaminen on ollut suuri haaste, ja se estää kvanttitietokoneiden skaalaamista koon, luotettavuuden ja kustannustason suhteen, jossa ne olisivat hyödyllisiä.

Kiertoteitä kehitetään, esimerkiksi yksittäisten fotonien tuotanto epätäydellisestä fotonilähteestä, epälineaarisen optiikan ja yksittäisen fotonin teleportoinnin avulla. Valonlähteiden tehokkuuden lisääminen erbiumin avulla on toinen mahdollinen vaihtoehto.

Kuitenkin lopulta monet näistä ratkaisuista saattavat olla liian monimutkaisia ongelman ratkaisemiseksi, minkä vuoksi äskettäin kehitetty metamateriaali voisi muuttaa kvanttitietokoneiden tulevaisuutta. Tämä nanoskaalainen komponentti, joka pystyy siirtämään skaalautuvaa, vähän dekohenssia aiheuttavaa kvanttietoa valoon, kehitettiin Harvardin yliopiston tutkijoiden toimesta ja julkaistiin arvostetussa Science-lehdessä¹ otsikolla “Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference”.

Kvanttivalon lähteet

Jotta dataa voidaan siirtää kvanttitietokoneen alikomponenttien välillä ja eri kvanttitietokoneiden välillä, kvanttidata on säilytettävä. Tämä saavutetaan yleensä luomalla lomittuneita hiukkasia, erityisesti fotoneja.

Nämä lomittuneet hiukkaset toistavat toistensa tilan, vaikka ne olisivatkin erossa suurilla etäisyyksillä.

Tähän mennessä kvanttitietokoneiden tutkijat ovat pääasiassa käyttäneet “perinteisiä” tapoja lomittuneiden fotonien tuottamiseen. Tämä tapahtuu joko ohjaamalla fotoneja aallonjohtimien läpi laajennetuilla mikrosiruilla tai massiivisilla laitteilla, jotka on rakennettu linssien, peilien ja säteilijöiden avulla.

Ongelma on, että nämä järjestelmät ovat liian suuria, monimutkaisia ja vaikeita tuottaa riittävissä määrissä, jotta menetelmä voitaisiin skaalata kvanttiverkon vaatimiin lukuihin.

Toinen ongelma on “dekohenssi”. Matemaattinen monimutkaisuus kasvaa, kun fotonien määrä ja siten kvanttibittien (qubits) määrä alkaa lisääntyä.

Jokainen lisäfotoni tuo mukanaan monia uusia interferenssipolkuja, jotka perinteisessä asetelmassa vaatisivat nopeasti kasvavan määrän säteilijöitä ja lähtöportteja.

Kvantti‑metasurface

Metamateriaalit

Metamateriaalit muuttavat annetun materiaalin rakennetta, antaen sille erilaisia ominaisuuksia kuin sen perusmateriaalien ominaisuudet.

Tämä saavutetaan useimmiten luomalla toistuvia kuvioita tarkasta muodosta, geometriasta, koosta, suunnasta jne. nanoskaalassa.

Säännöllisten mikrorakenteiden hallittu luominen voi johtaa materiaalin suorituskyvyn parantumiseen verrattuna sen peruskomponenttiin. Tämä voi vaikuttaa moniin eri ominaisuuksiin, kuten sähkömagneettisiin, akustisiin, rakenteelliseen kestävyyteen, lämpöön jne.

Lähde: Science

Tämä on se, mitä Harvardin tutkijat ovat luoneet, uudenlaisilla metasurfacesilla, tasaisilla laitteilla, joihin on kaiverrettu nanoskaalaisia valoa manipuloivia kuvioita.

“Esittelemme merkittävän teknologisen edun skaalautuvuusongelman ratkaisemisessa.

Voimme nyt miniaturisoida koko optisen järjestelmän yhdeksi metasurfaceksi, joka on erittäin vakaa ja kestävä.”

Kerolos M.A. Yousef – Harvardin jatko‑opiskelija

Miten metasurface mahdollistaa skaalautuvan kvanttivalon

Monien fotonien aiheuttamaa matemaattista monimutkaisuutta, joita tarvitaan monimutkaisiin kvanttialgoritmeihin, voidaan hallita matematiikan haaralla, jota kutsutaan graafiteoriaksi. Yksinkertaisesti selitettynä se käyttää pisteitä ja viivoja edustamaan yhteyksiä ja suhteita.

Lähde: Science

Vaikka graafiteoriaa käytetään tietyissä kvanttitietokoneiden ja kvanttivirhekorjauksen tyypeissä, sitä ei ole vielä hyödynnetty metasurfacesin yhteydessä, erityisesti niiden suunnittelussa ja toiminnassa.

Graafiteorian avulla tutkijat pystyivät visuaalisesti määrittämään, miten fotonit häiritsevät toisiaan, ja ennustamaan niiden vaikutuksia kokeissa.

Uusi fotonien lomittumislaite

Käyttäen graafiteoriaa ja kaupallisia puolijohdeteollisuuden valmistustekniikoita, tutkijat loivat “kompakti monipääte‑interferometrit”.

He käyttivät graafiteoriaa koodatakseen sekä fyysisen suunnittelun että sen tuottamat kvanttikorrelaatiot interferometrien nanorakenteeseen.

“Se tarjoaa myös uutta näkemystä metasurfacesin ymmärtämiseen, suunnitteluun ja soveltamiseen, erityisesti kvanttivalon tuottamiseen ja hallintaan. Graafimenetelmällä metasurfacesin suunnittelu ja optinen kvanttitila tulevat jollain tapaa kahdeksi saman kolikon puoliksi.”

Neal Sinclair – Harvardin yliopiston tutkimus

He testasivat sen suorituskykyä käyttäen suprajohtavia nanoköyrädetektoreita fotonien käyttäytymisen mittaamiseen.

Se osoitti, että tämä lähestymistapa tarjoaa monia etuja:

• Suunnittelu ei vaadi monimutkaisia kohdistuksia, mikä tekee valmistuksesta ja asennuksesta paljon helpompaa.
• Se on erittäin vastustuskykyinen häiriöille, ja siinä on alhaiset optiset häviöt.
• Se on helppo valmistaa, mikä tekee siitä skaalautuvamman ja kustannustehokkaamman.

Tämä työ keskittyi enimmäkseen mahdollisiin sovelluksiin kvanttitietokoneissa.

Se voisi kuitenkin olla hyödyllinen myös kvanttihavainnossa tai tarjota “lab-on-a-chip” -ominaisuuksia perustutkimukselle.

“Olen innoissani tästä lähestymistavasta, koska se voisi tehokkaasti skaalata optisia kvanttietokoneita ja verkkoja — mikä on pitkään ollut niiden suurin haaste verrattuna muihin alustoihin, kuten suprajohtimiin tai atomeihin,”

Neal Sinclair – Harvardin yliopiston tutkimus

Sijoittaminen kvanttitungentoon

Honeywell / Quantinuum

Quantinuum on Honeywell Quantum Solutionsin ja Cambridge Quantumin fuusion tulos.

Honeywell pysyy yhtiön enemmistöosakkeenomistajana (todennäköisesti 52 % omistus) rahoituskierroksen jälkeen, jonka arvo oli 5  miljardia dollaria. Perustajan Ilyas Khanin väitetään omistavan noin 20 % yhtiöstä. Muita osakkeenomistajia ovat JSR Corporation, Mitsui, Amgen (AMGN ), IBM ja JP Morgan.

Quantinuumin mahdollinen listautuminen tulevaisuudessa, mahdollisesti osana laajempaa yritysrakenteen uudelleenjärjestelyä, arvioidaan olevan arvoltaan jopa 20  miljardia dollaria ja voisi tapahtua vuosina 2026–2027.

Kvanttitietokoneet eivät ole Honeywellin liiketoiminnan ydin; se keskittyy enemmän ilmailuun, automaatioon sekä erikoiskemikaaleihin ja -materiaaleihin.

Jokainen näistä aloista voisi kuitenkin hyötyä kvanttitietokoneista, erityisesti laskennallisesta kemiasta ja kvanttisyberkoulutuksesta, mikä voisi antaa Honeywellille etulyöntiaseman kilpailijoihinsa nähden.

Yhtiön nykyinen päämalli on H2, 56‑kvanttibittinen ionikapsele, jonka kahden kvanttibitin porttien tarkkuus on 99,895 %.

Seuraavat kolme sukupolvea, jotka ulottuvat yli 1000 kvanttibittiin, on jo suunniteltu, ja seuraavat julkaisut on ajoitettu vuosille 2025, 2027 ja 2029.

Lähde: Quantinuum

Uusin versio, nimeltään Apollo, olisi läpimurto, joka mahdollistaisi lukemattomien kaupallisten sovellusten toteuttamisen kvanttitietokoneilla.

Lopuksi, laitteiston valmiuden ja kvanttivirhekorjauksen (QEC) edistymisen yhdistelmän avulla näemme Apollon kohti vuosikymmenen loppua, täysin vikakestävän kvanttietuaineen. Tämä tulee olemaan kaupallinen käännekohta: avaten aikakauden tieteelliselle läpimurrolle fysiikassa, materiaaleissa, kemiassa ja muilla aloilla.

Yhtiö on pyrkinyt korkealaatuiseen laskentaan hyvin vähäisillä virheillä sen sijaan, että lisäisi mahdollisimman monta virheherkkää kvanttibittiä, luoden niin kutsutun “vikakestävän kvanttitungenteen”.

Tätä lähestymistapaa yhtiö kutsuu “Paremmat kvanttibitit, paremmat tulokset”, jolloin samanlainen kvanttibittimäärä saavuttaa 100–1000‑kertainen luotettavammat tulokset.

Lähde: Quantinuum

Tämä voisi merkittävästi vaikuttaa kiireellisesti tarvittavaan kvanttivastaanottavaan kryptografiaan, kun puolustusyritys Thales (HO.PA -0,96 %) on jo yhteistyössä Quantinuumin kanssa sekä kansainvälisten pankkien HSBC ja JP Morgan kanssa.

Quantinuum tarjoaa myös omaa kvanttialgoritmista kemiaa InQuanto, jota voidaan käyttää lääketeollisuudessa, materiaalitieteessä, kemikaaleissa, energiassa ja ilmailusovelluksissa.

Kuten monet muut kvanttitungentoyritykset, Quantinuum tarjoaa Heliosin, “laitteisto‑palveluna”, mikä mahdollistaa käyttäjien hyödyntää kvanttitungentaa ilman, että heidän tarvitsee käsitellä järjestelmän monimutkaisuutta.

Quantinuum solmi marraskuussa 2024 kumppanuuden saksalaisen Infineonin kanssa, Euroopan suurimman puolijohdevalmistajan. Infineon tuo integroidun fotoniikan ja ohjauselektroniikan teknologiansa auttaakseen luomaan seuraavan sukupolven ionikapsele‑kvanttitietokoneita.

Kun integroidut fotoniikat lähestyvät käytännön sovelluksia, on nyt selvää, kuinka tärkeä tämä kumppanuus voi olla Quantinuumin tulevaisuudelle. Tässä vaiheessa näyttää siltä, että yhtiön seuraava askel on julkaista maailman ensimmäinen tekoälyyn keskittyvä fotoniikka‑kvanttisirun.

Tulevina kuukausina Quantinuum jakaa tuloksia käynnissä olevista yhteistyöprojekteista, esitellen kvanttivetoisten edistysaskelten mullistavaa potentiaalia generatiivisessa tekoälyssä.

Innovatiivinen Gen QAI -kyky parantaa ja nopeuttaa metalliorgaanisten kehysten käyttöä lääkkeiden toimituksessa, raivaa tietä tehokkaammille ja henkilökohtaisemmille hoitovaihtoehdoille, ja tarkemmat tiedot paljastetaan Heliosin lanseerauksessa.

Quantinuum Announces Generative Quantum AI Breakthrough with Massive Commercial Potential

Tämä julkaisu on osa sarjaa uutisia, jotka liittyvät kvanttitungenteen ja tekoälyn nopeaan yhteyteen Quantinuumissa.

Lisää käynnissä olevia käyttötapauksia voisi vahvasti nostaa yhtiön tulevaa arvoa, ja siten Honeywellin osuutta siinä, sekä potentiaalista voittoa, jonka sijoittajat voisivat siitä saada.

(Voit myös lukea kattavan raporttimme Honeywellin ydintoiminnasta antureissa, ilmailuosissa ja kehittyneissä materiaaleissa, sekä sen osallistumisesta Quantinuumiin)

Viimeisimmät Honeywell (HON) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus

^{1. Kerolos M. A. Yousef, Marco D’Alessandro, Matthew Yeh, Neil Sinclair, Marko Loncar, and Federico Capasso. Metasurface‑kvanttigraafit yleistettyyn Hong-Ou-Mandel‑interferenssiin. Science. 24 Jul 2025. Vol 389, Issue 6758 pp. 416-422. DOI: 10.1126/science.adw8404}