Ääniaallot tarjoavat läpimurron kvanttisen tiedon tallentamisessa

Kvanttitietokoneet lupaavat ennennäkemätöntä nopeutta monimutkaisten ongelmien ratkaisemisessa, mikä mahdollistaa läpimurtoja tekoälyn, rahoituksen, logistiikan, materiaalitieteen, lääkekehityksen ja kryptografian aloilla.

Mutta vaikka teknologian potentiaali on valtava, sen toteuttaminen ei ole helppoa, sillä käytännössä on osoittautunut erittäin vaikeaksi saada kvanttitietokoneet toimimaan ja hyödyntää niitä todellisten ongelmien ratkaisemiseen.

Kvanttitietokoneet ovat edelleen kokeellinen teknologia, ja tutkijat työskentelevät esteiden voittamiseksi tarkkojen kvanttitasoisten ilmiöiden simulointien suorittamiseksi. Yksi merkittävimmistä ongelmista on tiedon tallentaminen pitkän aikaa.

Tämä johtuu siitä, että vaikka suprajohtavilla kubitteilla on erinomaiset kyvyt käsitellä kvanttista tietoa, niiden koherenssiaika on melko rajallinen.

Koherenssi on kvanttisysteemin kyky ylläpitää eri tilojen välistä suhdetta superpositiossa. Tämä perustava ominaisuus mahdollistaa kubittien olemassaolon perustilojen lineaarisena yhdistelmänä, mikä mahdollistaa rinnakkaisuuden ja interferenssin, jotka ovat kvanttitietokoneen ydin.

Kvanttitoimintojen suorittamiseksi välttämätön koherenssi on melko hauras ja voi helposti hävitä jopa pienistä vuorovaikutuksista ympäristön kanssa.

Jos koherenssia ei ole, kubitin kvanttikäyttäytyminen katoaa, jolloin kvanttilaskenta menettää merkityksensä. Samaan aikaan decoherenssi on prosessi, jossa koherenssi häviää, ja se on edelleen suuri haaste kvanttitietokoneiden rakentamisessa ja käytössä.

Nykyään suprajohtavat kubitit ovat fyysinen tapa toteuttaa kubitteja, ja ne perustuvat kvanttikoherenssin ylläpitämiseen toimiakseen. Mutta tietenkin decoherenssi on niiden suurin haaste.

Suprajohtavat kubitit ovat pieniä piirejä, jotka on valmistettu erityisistä materiaaleista ja hyödyntävät kvanttifenomeneja kuten superpositiota ja lomittumista laskelmien suorittamiseen. Piirin valmistamiseen käytetyt materiaalit jäähdytetään lähes absoluuttiseen nollapisteeseen, jolloin ne muuttuvat suprajohtaviksi, mikä tarkoittaa, että ne voivat johtaa sähköä ilman vastusta.

Vaikka nämä suprajohtavat kubitit ovat vaikuttavia nopeissa laskelmissa, ne kamppailevat tiedon tallentamisen kanssa pitkiksi ajoiksi.

Kuitenkin fotonien ja fononien välinen rajapinta voisi mahdollistaa kvanttisen tiedon tallentamisen pitkäikäisiin mekaanisiin oskillaattoreihin. Caltechin tiimi on juuri tehnyt niin; he ovat esittäneet alustan, joka perustuu elektrostatiikkaan nanoskaalan rakenteissa saavuttaakseen vahvan kytkennän kubitin ja nanomekaanisen oskillaattorin välillä.

Energiankadostaika (T1) on noin 25 ms, mikä ylittää integroiduissa suprajohtavissa piireissä saavutetut arvot.

Tutkiakseen decoherenssin syitä ja vähentääkseen sen vaikutusta tiimi käytti kvanttitoimintoja. Kahden pulssin dynaamisen eristyssekvenssien käyttö auttoi heitä saavuttamaan pidemmän koherenssiajan (T2) 1 ms, mikä on laajennus 64 µs:stä.

Tutkimuksen löydökset osoittavat, että suprajohtavissa laitteissa mekaaniset oskillaattorit voivat toimia kvanttitietomuistina, joilla on potentiaalia käyttää kvanttialgoritmeissa, sensoroinnissa ja transduktiossa.

Kuinka ääniaallot tallentavat kvanttitaloja pidempään

Perinteiset tietokoneet, kuten kannettavat tietokoneet ja puhelimet, tallentavat tiedon bitteinä.

Bitit ovat digitaalisen tiedon pienin yksikkö, jotka ovat peruslogiikan osia ja voivat ottaa joko binäärisen arvon nolla tai yksi.

Kvanttitietokoneet puolestaan voivat olla tilassa, jossa ne ovat samanaikaisesti sekä nolla että yksi, mikä tunnetaan superpositiona, ja tämä on kvanttitietokoneiden lupauksen takana ratkaista ongelmia, joita perinteiset tietokoneemme eivät pysty käsittelemään.

Monet nykyiset kvanttitietokoneet perustuvat suprajohtaviin elektronisiin järjestelmiin, joissa elektronit virtaavat ilman vastusta erittäin matalissa lämpötiloissa. Näissä järjestelmissä, kun elektronien kvanttimekaaninen luonne kulkee resonanttien läpi, ne muodostavat suprajohtavia kubitteja.

Nämä kubitit ovat erinomaisia suorittamaan laskentaan vaadittavia loogisia operaatioita. Mutta ne eivät ole kovin hyviä tallentamaan tietoa, joka esitetään tiettyjen kvanttisysteemien matemaattisina kuvauksina.

Parantaakseen kvanttitalojen tallennusaikoja insinöörit ovat tutkineet ‘kvanttimuisteja’ suprajohtaville kubiteille.

Caltechin tiedemiesten tiimi on valinnut hybridimenetelmän näihin kvanttimuisteihin.

Sähköinen tieto muutettiin tehokkaasti ääniksi tällä lähestymistavalla. Kvanttisen tiedon kääntämiseksi ääniaaltoihin he käyttivät pientä laitetta, joka toimii kuin miniatyyri-virityskärki.

Tämä mahdollisti kvanttitalojen eliniän pidentymisen jopa kolmekymmentäkertaiseksi muihin tekniikoihin verrattuna, luoden perustan skaalautuville, käytännöllisille kvanttitietokoneille, joilla on kyky paitsi laskea myös muistaa.

“Kun sinulla on kvanttitalo, et ehkä halua tehdä sillä mitään heti. Tarvitset tavan palata siihen, kun haluat suorittaa loogisen operaatio. Tätä varten tarvitset kvanttimuistin.”

– Mohammad Mirhosseini, apulaisprofessori sähkötekniikassa ja sovelletussa fysiikassa Caltechissa

National Science Foundationin ja Air Force Office of Scientific Researchin rahoituksen tukemana tutkimusta johti Caltechin jatko-opiskelijat Alkim Bozkurt ja Omid Golami, ja se julkaistiin Nature Physics -lehdessä.

Se kuvaili suprajohtavan kubitin valmistuksen sirulla, joka liitettiin sitten pieneen laitteeseen, jota kutsutaan mekaaniseksi oskillaattoriksi.

Mekaaninen oskillaattori on järjestelmä, joka esittelee värähtelevää liikettä. Se on pohjimmiltaan miniatyyri-virityskärki, joka tässä tutkimuksessa koostuu joustavista levyistä. Näitä levyjä värähdellään ääniaaltojen avulla gigahertsin (GHz) taajuuksilla.

Kun tiimi asetti sähkövarauksen näihin joustaviin levyihin, ne pystyivät vuorovaikuttamaan kvanttista tietoa kantavien sähköisten signaalien kanssa, mahdollistaen tiedon siirtämisen laitteeseen tallennettavaksi “muistiksi” ja myöhemmin sen siirtämisen ulos tai “muistamisen”.

Tutkijat mittasivat, kuinka kauan kesti, että oskillaattori menetti kvanttisisältönsä sen jälkeen, kun tieto oli syötetty laitteeseen.

“Käy ilmi, että näillä oskillaattoreilla on elinikä noin 30 kertaa pidempi kuin parhailla suprajohtavilla kubitteilla.”

– Mirhosseini

Tämä kvanttimuistin rakennusmenetelmä tarjoaa useita etuja muihin tekniikoihin verrattuna. Akustiset aallot kulkevat esimerkiksi paljon hitaammin kuin sähkömagneettiset aallot, mikä mahdollistaa kompaktimmat laitteet.

Sähkömagneettiset (EM) aallot ovat poikittaisia aaltoja, joissa vaihtelevat sähkö- ja magneettikentät kuljettavat energiaa avaruudessa. Ne syntyvät varautuneiden hiukkasten kiihtymisestä ja kattavat spektrin, johon kuuluvat radiotaajuus, mikroaallot, infrapuna, näkyvä valo, ultravioletti, röntgensäteet ja gammasäteet.

Swipe to scroll →

Kaikki sähkömagneettiset aallot kulkevat valonnopeudella tyhjiössä, eikä niiden etenemiseen tarvita väliaineita.

Samaan aikaan akustiset aallot ovat mekaanisia aaltoja, kuten ääniaaltoja, jotka siirtävät energiaa väliaineen, kuten kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen, läpi aiheuttamalla väliaineen hiukkasten värähtelyä, puristumista ja laajentumista. Näitä aaltoja luonnehtivat ominaisuudet kuten taajuus, amplitudi ja aallonpituus. Akustiset aallot kattavat taajuusalueen, mukaan lukien infrasoni ja ultraääni.

Koska mekaaniset värähtelyt, toisin kuin sähkömagneettiset aallot, eivät leviä vapaassa tilassa, energia ei vuoda järjestelmästä ja se voidaan pitää vahvemmin väliaineessa, mikä mahdollistaa pidemmät tallennusajat ja vähentää ei-toivottua energian vaihtoa lähellä olevien laitteiden välillä.

Nämä edut tarjoavat mahdollisuuden sisällyttää monia tällaisia virityskärkiä yhteen siruun, tarjoten skaalautuvan tavan kvanttimuisteille.

Tutkimus, Mirhosseinin mukaan, osoittaa minimaalisen vuorovaikutuksen akustisten ja sähkömagneettisten aaltojen välillä, mikä on tarpeen tämän hybridijärjestelmän arvon tutkimiseksi muistielementtinä.

“Jotta tämä alusta olisi todella hyödyllinen kvanttitietokoneille, sinun täytyy pystyä syöttämään kvanttidata järjestelmään ja ottamaan se pois paljon nopeammin. Tämä tarkoittaa, että meidän on löydettävä keinoja lisätä vuorovaikutusnopeutta kolmesta kymmeneen kertaiseksi nykyisen järjestelmämme kykyyn verrattuna,” sanoi Mirhosseini. “Ja tiimillä on ideoita siitä, miten se saavutetaan.”

Kvanttihardware ja -ohjelmistot: Polku kaupalliseen käyttöön

Caltechin tutkijoiden luoma uusi laite on ollut kehitteillä jo jonkin aikaa.

Muutama vuosi sitten, aikaisemmassa työssään tiimi osoitti, että ääni, erityisesti fononit, jotka ovat yksittäisiä värähtelyhiukkasia aivan kuten fotonit, voisivat tarjota helpon tavan tallentaa kvanttista tietoa.

Silloin Mirhosseinin ryhmä esitteli uuden menetelmän laboratoriossa, jossa he tutkivat fononeja niiden suhteellisen helpon pienten laitteiden rakentamisen vuoksi, jotka voivat tallentaa näitä mekaanisia aaltoja.

Tiimi testasi laitteita kokeissa, jotka vaikuttivat sopivilta yhdistettäväksi suprajohtavien kubittien kanssa, koska ne toimivat samassa erittäin korkeassa GHz-taajuudessa.

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.

Testatut laitteet omaavat myös pitkän eliniän ja toimivat hyvin alhaisissa lämpötiloissa, jotka ovat tarpeen kvanttitalojen säilyttämiseksi suprajohtavien kubittien kanssa.

Kuten Mirhosseini totesi silloin, muut tutkimukset ovat tarkastelleet piezoelektriikkaa, erityistä materiaalityyppiä, keinona muuntaa mekaaninen energia sähköenergiaksi kvanttisovelluksissa. Hän lisäsi:

“Nämä materiaalit kuitenkin aiheuttavat energiahäviöitä sekä sähkö- että ääniaaltoihin, ja häviö on suuri tappaja kvanttimaailmassa.”

Caltechin tiimin kehittämä uusi tekniikka sen sijaan ei perustu tiettyjen materiaalien ominaisuuksiin, ja siksi se soveltuu vakiintuneiden mikronaaltoihin perustuvien kvanttialustojen kanssa.

Tehokkaiden tallennuslaitteiden rakentaminen kompaktilla koolla on vielä yksi haaste kvanttisovelluksia tutkiville.

Tämä haaste käsitellään myös uudella menetelmällä, joka “mahdollistaa kvanttisen tiedon tallentamisen sähköisistä piireistä kahden suurensarjan pidemmiksi kuin muut kompaktit mekaaniset laitteet,” sanoi tutkimuksen pääkirjoittaja Bozkurt, Mirhosseinin ryhmän jatko-opiskelija.

Vaikka Caltechin ääniaaltoalusta on lupaava, se on vain yksi osa paljon laajempaa tutkimusponnistusta, joka tapahtuu ympäri maailmaa eri instituutioissa. Tutkijat testaavat erilaisia menetelmiä kvanttitietokoneiden haasteiden voittamiseksi.

Esimerkiksi Kalifornian eteläisen yliopiston tutkijat ovat kääntyneet matematiikan puoleen.

He käyttävät neglectoneja ratkaistakseen joitakin topologisten kubittien ongelmia. Tämä teoreettisten hiukkasten luokka, joka on nimetty sen perusteella, miten ne johdettiin huomiotta jääneestä teoreettisesta matematiikasta, voisi avata uuden polun kohti kokeellista universaalien topologisten kvanttietokoneiden toteuttamista.

“Tavoitteeni on esittää mahdollisimman vakuuttava tapaus muille tutkijoille, että ei-semisimpleä kehystä ei ole vain kelvollinen, vaan se on jännittävä lähestymistapa kvanttiteorian parempaan ymmärtämiseen.”

– Yhteiskirjoittaja Aaron Lauda

Samaan aikaan toisessa lähestymistavassa tutkijat ohjaavat kvanttipisteiden säteilemää valoa, mikä voi johtaa edullisempiin, nopeampiin ja tietenkin käytännöllisempiin kvanttiteknologioihin.

Tätä varten tutkimusyhteistyö löysi uuden menetelmän, joka perustuu stimuloituun kaksifotonin eksitaatioon, mahdollistaen kvanttipisteiden säteillä fotonivirtoja erottuvissa polarisaatiotiloissa ilman elektronista kytkentälaitteistoa. Testattaessa tutkijat pystyivät onnistuneesti tuottamaan erinomaisia kaksifotonitiloja säilyttäen samalla merkittäviä yksifotonin ominaisuuksia.

“Mikä tekee tästä lähestymistavasta erityisen elegantin, on se, että olemme siirtäneet monimutkaisuuden kalliista, häviöitä aiheuttavista elektronisista komponenteista yksifotonin säteilyn jälkeen optiseen eksitaatiovaiheeseen, ja se on merkittävä askel eteenpäin kvanttipisteiden lähteiden käytännöllisyyden parantamisessa todellisissa sovelluksissa.”

– Pääasiallinen tutkija, Vikas Remesh

Sitten on The Grainger College of Engineeringin tiimi Illinoisin yliopistosta Urbana-Champaignissa, joka esitteli korkean suorituskyvyn modulaarisen suunnittelun suprajohtaville kvanttiproseessoreille, joilla on noin 99 % tarkkuus.

Modulaarinen arkkitehtuuri, toisin kuin rajoittavat monoliittiset suunnitelmat, tarjoaa paremman skaalautuvuuden, helpommat parannukset ja kestävyyden epäjohdonmukaisuuksille.

Vaikka suurin osa pyrkimyksistä jatkaa selvästi kvanttitietokoneiden laitteistopuolen kehittämistä, nyt havaitaan siirtymä kohti ohjelmistoja, sillä ihmiset uskovat teknologian olevan “rajanpäällä kaupallisesti kannattavan”, ja siksi tarvitsee hyödyllisiä sovelluksia.

Tähän liittyen kvanttialgoritmeja kehittävä yritys Phasecraft keräsi 34 miljoonaa dollaria useilta sijoittajilta, mukaan lukien tanskalaisen lääkeyrityksen Novo Nordiskin (NVO) sijoitusyhtiö.

Phasecraftin algoritmit, sen toimitusjohtaja Ashley Montanaro, uskoo, että ne pystyvät suorittamaan “tieteellisesti tärkeitä” laskelmia “ensi keväänä”, ja joitakin kaupallisesti hyödyllisiä sovelluksia voi olla saatavilla “seuraavien vuosien aikana”.

Algoritmeihin kohdistuu nyt kasvava kiinnostus. Äskettäin Googlen tutkija väitti kehittäneensä 20‑kertainen pienennys kvanttitietokoneen mittakaavassa, joka tarvitaan Shorin algoritmin suorittamiseen, mikä voi murtaa nykyiset yleisimmät salausmenetelmät.

Vastauksena kehittäjä Hunter Beast on esittänyt BIP 360 -standardin pyrkimyksenä tehdä Bitcoinista (BTC) kvanttivastustuskykyinen.

Samaan aikaan kvanttitulostusyritys Norma vahvisti kvanttinen AI-algoritmiensa suorituskyvyn lääketuotannon kehittämisessä käyttäen NVIDIA (NVDA ) CUDA-Q:ta, havaiten laskentanopeuksia noin 73‑kertaisesti nopeampina.

Sijoittaminen kvanttitulostukseen

Monet suuret nimet tekevät tutkimusta suprajohtavassa kvanttitulostuksessa, ja siihen kuuluvat IBM (IBM ), Intel (INTC ) ja monet muut. Tänään tarkastelemme Honeywell Internationalia (HON ), joka on vahvasti mukana kvanttitulostuksessa omistamalla enemmistöosuuden Quantinuumissa.

Quantinuum, Honeywell Internationalin (HON ) tytäryhtiö

Quantinuum on kvanttitulostusyritys, joka perustettiin vuonna 2021 Cambridge Quantumin ja Honeywell Quantum Solutionsin fuusiolla. Vaurioiden kestävien kvanttitulostimien kehittämisen nopeuttamiseksi se on saanut rahoitusta sijoittajilta kuten JPMorgan Chase.

Viime vuonna se demonstrasi ennätyksellisen luotettavimmat loogiset kubitit. Quantinuum sovelsi Microsoftin läpimurtavaa kubitti-virtualisointijärjestelmää, jossa on virhediagnostiikka ja korjaus, ionikarkea‑laitteistoon suorittaen yli 14 000 yksittäistä kokeilua ilman yhtään virhettä.

Viime kuussa Quantinuum lanseerasi kaksi uutta avoimen lähdekoodin ohjelmistokomponenttia, mukaan lukien Guppy, Pythonin sisällä toimiva kieli, jonka toimitusjohtaja Rajeeb Hazra on kuvannut “kehittäjien paradigman muutokseksi”, sekä emulaattorin nimeltä Selene, joka on “digitaalinen kaksonen” ja jäljittelee kvanttikäyttäytymistä ohjelmoijille koodin testaamista ja virheenkorjausta varten.

Uusi täyspinoalusta valmistautuu Quantinuumin seuraavan sukupolven kvanttitulostimen Heliosin tulevaan lanseeraukseen.

Näin ollen yritys pyrkii edistämään sekä kvanttihardwarea että -ohjelmistoja tutkimuksellaan ja kaupallisilla toimillaan, jotka kohdistuvat tekoälyyn, kyberturvallisuuteen, kemialliseen simulointiin ja muihin sovelluksiin.

Quantinuumin kautta Honeywell on kehittänyt ionikarkea‑kvanttitulostimia, jotka käyttävät sähkömagneettisesti loukkuun asetettuja ioneja kubitteina korkean tarkkuuden laskelmia varten, asiakkaille eri sektoreilla, kuten terveydenhuollossa, rahoituksessa ja energiantuotannossa.

Integroitu toimiva yhtiö on pääasiassa mukana kolmessa megatrendissä, jotka ovat automaatio, ilmailu ja energiasiirtymä. Samaan aikaan se palvelee muutaman avainsegmentin kautta:

• Avaruusteknologiat
• Teollinen automaatio
• Rakennusautomaatio ja energia
• Kestävyysratkaisut

Markkina-arvolla 139,36 miljardia dollaria HON-osakkeet, kirjoitushetkellä, käyvät hintaan 218,40 $, laskien 2,83 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 8,79 ja P/E (TTM) 24,96. Osinkotuotto on puolestaan 2,06 %.

Taloudellisista tiedoista Honeywell raportoi 10,4 miljardia dollarin myynnin toiselle neljännekselle 2025. Osakekohtainen tulos oli 2,45 $, ja säädetty EPS oli 2,75 $.

Tänä aikana yhtiö suoritti 1,3 miljardia dollarin PPE-liiketoiminnan myynnin, sulki 2,2 miljardia dollarin Sundyne-hankinnan ja ilmoitti 1,8 miljardia puntaa Johnson Mattheyn katalyyttiteknologian liiketoiminnan hankinnasta. Yhtiö myös osti takaisin 1,7 miljardia dollaria omia osakkeitaan.

Toimitusjohtaja Vimal Kapur korosti merkittävyyttä saavuttaa “erinomaiset tulokset” sekä orgaanisen kasvun että säädetyn EPS:n osalta, jotka ylittävät ohjeistuksen huolimatta ennakoimattomasta makrotaloudesta.

“Rakennusautomaation johdolla kolme neljästä segmentistä kasvatti myyntiä yli 5 % neljänneksellä, mikä osoittaa Accelerator‑käyttöjärjestelmämme voiman sopeutua nopeasti ja edistää kasvua, vaikka liiketoimintaympäristö muuttuisi,” sanoi Kapur korostaen samalla “lupaavia tuloksia lisääntyneestä keskittymisestämme uusiin tuoteinnovaatioihin, mikä edelleen tuki ennätyksellisen tilauskannan kasvua.”

Yhteenveto

Kvanttitietokoneet voivat johtaa merkittäviin edistysaskeliin tekoälyssä, terveydenhuollossa, materiaalitieteessä, kyberturvallisuudessa ja muilla aloilla. Mutta teknologian edistyminen riippuu paitsi kubittien suorituskyvystä myös kyvystä tallentaa kvanttinen tieto luotettavasti.

Caltechin alusta tarjoaa suunnitelman tämän saavuttamiseksi. Yhdistämällä laskennan ja muistin yhdeksi siruksi uusi kehitys vie alaa lähemmäs todellisia sovelluksia.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon viidestä parhaasta kvanttitulostusyrityksestä.

Lähteet:

1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). Mekaaninen kvanttimuisti mikronaaltofotonille. Nature Physics, (advance online publication), published 13 elokuu 2025. Received 10 tammikuu 2025; accepted 17 kesäkuu 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universaali kvanttialgoritmi Ising-anyoneilla ei-semisimple topologisesta kvanttikenttäteoriasta. Nature Communications, 16, 6408, published 05 elokuu 2025. Received 13 lokakuu 2024; accepted 18 kesäkuu 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passiivinen demultiplexoitu kaksifotonitilan generointi kvanttipisteestä. npj Quantum Information, 11, 139, published 11 elokuu 2025. Received 10 huhtikuu 2025; accepted 25 heinäkuu 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. Korkean hyötysuhteen perusverkko vaihdettavissa suprajohtavissa kubittilaitteissa. Nature Electronics, 8, 610–619, published 27 kesäkuu 2025 (issue date heinäkuu 2025). Received 08 syyskuu 2024; accepted 23 toukokuu 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3 suomeksi