De volgende generatie computers bouwen met kwantumemitters en infraroodlasers

De geschiedenis van computers is verweven met de geschiedenis van moderne technologie. Het begon allemaal in de 19e eeuw, toen in 1801 de Franse handelaar en uitvinder Marie Jacquard een weefgetouw uitvond met geperforeerde houten kaarten om automatisch stofontwerpen te weven.

Echter, de meest significante vooruitgang in geautomatiseerd rekenen in die eeuw vond plaats toen de Engelse wiskundige Charles Babbage een stoomaangedreven rekenmachine ontwikkelde die tabellen met cijfers kon berekenen. De meest baanbrekende uitvinding van de 20e eeuw kwam in 1936 van Alan Turing, een Britse wetenschapper en wiskundige, die een universele machine introduceerde, later de Turingmachine genoemd. Wetenschappers beweren dat het concept van moderne computers fundamenteel gebaseerd is op de ideeën van Alan Turing.

Sindsdien is er een keten van vooruitgang geweest. In 1939 richtten David Packard en Bill Hewlett het bedrijf Hewlett Packard op, en in 1953 ontwikkelde Grace Hopper de eerste computertaal, COBOL, gevolgd door John Backus en zijn team programmeurs bij IBM die een paper publiceerden waarin hun nieuw gecreëerde programmeertaal FORTRAN werd beschreven.

De stroom van uitvindingen die de computergeschiedenis door de jaren heen verrijken, heeft zich op meerdere aspecten gericht. Soms was het de ontwikkeling van een baanbrekende taal of software, en andere keren cruciale hardware. Dergelijke uitvindingen blijven zich voordoen en helpen de volgende generatie computers te bouwen, iets dat terecht ‘futuristisch’ is in de meest letterlijke zin van het woord.

In de volgende segmenten zullen we twee van zulke uitvindingen bekijken die kwantumemitters en infraroodlasers omvatten. 

Op weg naar een grote doorbraak: Een schaalbare kwantumcomputer

De prestatie komt van een team onderzoekers onder leiding van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). De onderzoekers beweren succesvol te zijn geweest in hun poging om een femtosecondenlaag te gebruiken om qubits te creëren en te ‘vernietigen’ door silicium te doteren met waterstof. De onderzoekers benadrukten dat ze deze oefening op aanvraag en met precisie konden uitvoeren. 

Maar om de betekenis van het onderzoek ten volle te realiseren, moeten we weten wat qubits zijn en waarom ze belangrijk zijn!

De noodzaak om miljarden qubits aan elkaar te koppelen

Quantumcomputers kunnen baanbrekend zijn in hun vermogen om problemen een miljoen keer sneller op te lossen dan sommige van de meest geavanceerde supercomputers die momenteel beschikbaar zijn. Deze machines hebben het potentieel om revolutionaire doorbraken teweeg te brengen op gebieden zoals gezondheidszorg, farmaceutica en kunstmatige intelligentie. Maar om dit allemaal te laten gebeuren, moet de industrie een manier vinden om miljarden qubits of kwantumbits aan elkaar te koppelen, wat leidt tot de uiteindelijke ontwikkeling van een zeer efficiënt netwerk van kwantumcomputers.

Het onderzoek heeft nu een manier aangetoond om kwantumcomputers te versterken door programmeerbare optische qubits of ‘spin-foton qubits’ te gebruiken die kwantumnodes over een extern netwerk kunnen verbinden. 

Terwijl hij de betekenis van het onderzoek en de behaalde resultaten uitlegde, maakte Kaushalya Jhuria, een postdoctoraal onderzoeker in de Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) divisie van Berkeley Lab, de volgende opmerking:

“Om een schaalbare kwantumarchitectuur of -netwerk te maken, hebben we qubits nodig die betrouwbaar op aanvraag en op gewenste locaties kunnen ontstaan, zodat we weten waar de qubit zich bevindt in een materiaal. En daarom is onze aanpak cruciaal. Want zodra we weten waar een specifieke qubit zit, kunnen we bepalen hoe we deze qubit met andere componenten in het systeem verbinden en een kwantumnetwerk maken.”

Maar hoe bereikt het onderzoek dit doel? Het doet dit door qubits in silicium te vormen met programmeerbare controle. 

Het verhaal van de ‘kleurcentra’ in silicium en ‘spin-foton qubits’

Met steun van het DOE Office of Science, gebruikte de studie een gasomgeving om programmeerbare defecten te creëren die bekend staan als “kleurcentra” in silicium. Deze kleurcentra zijn kandidaten voor “spin-foton qubits” of speciale telecommunicatie‑qubits.

Een kwantum‑ of qubit‑bit is de basiseenheid van kwantuminformatie. Dit kleinste onderdeel van een kwantuminformatiesysteem codeert data in 1, 0 of alles daartussen, wat superpositie wordt genoemd. Spin‑photon qubits zenden ondertussen fotonen uit die informatie gecodeerd in electron spin over grote afstanden kunnen dragen.

Nu, om deze speciale qubits te vormen die een veilig kwantumnetwerk nauwkeurig kunnen ondersteunen, gebruikte de studie een ultrasnelle laser die energiepulses kan uitzenden in slechts femtoseconden — elke puls zo kort als een quadriljoenste van een seconde, gericht op een gebied niet groter dan een stofdeeltje.

Bij het onderzoeken van de optische (fotoluminescentie) signalen van de resulterende kleurcentra met een nabij‑infrarode detector om ze te karakteriseren, vond het team een Ci‑centrum, dat een kwantum‑emitter is. Het Ci‑centrum heeft een eenvoudige structuur en veelbelovende spin‑eigenschappen terwijl het bij kamertemperatuur stabiel is, waardoor het een behoorlijk indrukwekkende kandidaat voor spin‑photon qubits is die fotonen uitzendt in het telecom‑ of frequentie‑band. Volgens Jhuria:

“We wisten uit de literatuur dat Ci in silicium kan worden gevormd, maar we verwachtten niet dat we deze nieuwe spin‑photon qubit‑kandidaat daadwerkelijk met onze aanpak zouden maken.” 

Interessant genoeg kan het verhogen van de intensiteit van de femtosecondenlaser bij het verwerken van silicium in aanwezigheid van waterstof ook de mobiliteit van waterstof verhogen. Dit passivatieert ongewenste kleurcentra terwijl het siliciumrooster onbeschadigd blijft.

Een theoretische analyse bevestigde ook de experimentele observaties dat de helderheid van het Ci‑kleurcentrum aanzienlijk kan worden verhoogd in aanwezigheid van waterstof. Zoals Jhuria uitlegt, kunnen de laserpulsen niet alleen waterstofatomen uit het rooster slaan maar ze ook terugbrengen, “waardoor de programmeerbare vorming van gewenste optische qubits op precieze locaties mogelijk wordt.” 

Betrouwbaar kleurcentra maken is slechts het begin; nu wil het team verschillende qubits met elkaar laten communiceren en zien welke het beste presteren. 

“Het vermogen om qubits te vormen op programmeerbare locaties in een materiaal zoals silicium dat op schaal beschikbaar is, is een spannende stap richting praktische kwantumnetwerken en -computing.”

– Cameron Geddes, Directeur van de ATAP‑divisie

De techniek zal vervolgens worden gebruikt om optische qubits op te nemen in kwantumapparaten zoals golfgeleiders en om nieuwe spin‑photon qubit‑kandidaten te vinden met eigenschappen die geoptimaliseerd zijn voor geselecteerde toepassingen.

Nieuwe benaderingen om kwantumcomputing te realiseren: Werken met moleculen

Het veld van kwantumcomputing heeft in de loop der jaren aanzienlijke tractie gekregen, waarbij onderzoekers voortdurend zoeken naar nieuwe technieken om het te realiseren. Het manipuleren van organische moleculen is een onderzoeksgebied met potentieel voor toepassing in kwantumcomputing. 

Het team van TU Graz onderzocht hoe ze competente moleculen konden stimuleren met infrarode lichtpulsen om kleine magnetische velden te creëren. Als deze techniek succesvol wordt ontwikkeld in experimenten, kan ze zelfs worden gebruikt in kwantumcomputer‑circuits.

Dit komt doordat selectieve manipulatie van infraroodlicht het mogelijk maakt de richting en sterkte van het magnetische veld te controleren. Hierdoor worden moleculen omgevormd tot hoogprecisie‑optische schakelaars, die vervolgens zelfs kunnen worden gebruikt om circuits voor een kwantumcomputer te bouwen, volgens Andreas Hauser van het Institute of Experimental Physics aan de TU Graz.

Hoewel interacties tussen moleculaire trillingen en spinmagnetisme goed gedocumenteerd zijn in microgolf‑spectroscopie, stelt deze studie methoden voor om actief moleculaire trillingen te exciteren die een magnetisch veld genereren op gerichte locaties.

Moleculen stimuleren met infraroodlasers om magnetische velden te vormen

Wanneer moleculen worden bestraald met infraroodlicht, beginnen ze te trillen door de energie‑invoer. Door dit fenomeen als uitgangspunt te nemen, begonnen fysici te onderzoeken of deze trillingen daadwerkelijk kunnen worden gebruikt om magnetische velden te genereren.

Voor hun berekeningen gebruikte Hauser, samen met zijn team, metaal‑ftalocyaninen als voorbeeld. Het team ontdekte dat door de hoge symmetrie van deze ring‑vormige, aromatische, platte kleurstofmoleculen, ze kleine magnetische velden in het nanometerbereik (< 1 nm) genereren wanneer ze worden blootgesteld aan infrarode pulsen. Op basis hiervan zou het meten van de sterkte van het lage maar precies gelokaliseerde veld via nucleaire magnetische resonantie‑spectroscopie haalbaar moeten zijn.

Naast het putten uit het werk van de vroege dagen van laserspectroscopie, gebruikte het team ook moderne elektronenstructuur‑theorie op supercomputers om te berekenen hoe macrocyclische ftalocyaninemoleculen zich gedragen wanneer ze worden blootgesteld aan licht via cirkelvormig gepolariseerd infraroodlicht. 

Het team ontdekte dat cirkelvormig gepolariseerde lichtgolven twee moleculaire trillingen gelijktijdig op rechte hoeken tot elkaar exciteren. Door dit te vergelijken met de rumba‑techniek, legde Hauser uit:

“De juiste combinatie van voor‑achter en links‑rechts creëert een kleine, gesloten lus. En deze circulaire beweging van elke getroffen atoomkern creëert daadwerkelijk een magnetisch veld, maar alleen zeer lokaal, met afmetingen in de orde van enkele nanometers.”

Dit is echter allemaal theoretisch. Het team zal nu werken aan het bewijzen dat moleculaire magnetische velden op gecontroleerde wijze experimenteel kunnen worden gegenereerd zodat ze daadwerkelijk kunnen worden benut. 

Voor het experiment moeten ze echter een substraat identificeren dat minimaal interacteert met de gerichte processen, aangezien aankomende toepassingen vereisen dat het ftalocyaninemolecuul op een oppervlak wordt geplaatst. Het doen hiervan verandert echter de fysieke omstandigheden, wat vervolgens de door licht opgewekte excitatie en de eigenschappen van het magnetische veld beïnvloedt.

Dus, voordat het echt in experimenten kan worden getest, moet het team eerst de wisselwerking berekenen tussen de afgezette ftalocyaninen, het infrarode licht en het ondersteunende materiaal. Als het experiment de voorspelde veranderingen in magnetische afschermingsconstanten bevestigt, kan de studie dit zien als de eerste meting van een magnetisch veld dat vibratoir wordt gecreëerd, met intramoleculaire resolutie.

Klik hier om meer te leren over Heron & Condor, de nieuwste ontwikkelingen in quantumcomputing.

Bedrijven die het veld van kwantumcomputing vooruit helpen

Er zijn verschillende bedrijven, zoals Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) en D‑Wave, die werken aan de vooruitgang van kwantumcomputing. IBM is een prominente naam die al vele jaren op kwantumcomputing focust. Recentelijk heeft het een samenwerking aangegaan met Japan’s National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) om hen te helpen een kwantumcomputer met 10.000 qubits te produceren vóór het einde van dit decennium. Dus, temidden van al deze ontwikkelingen, laten we een dieper kijkje nemen naar enkele andere belangrijke namen in de sector:

#1. Google 

De tech‑gigant heeft de afgelopen jaren veel inspanningen geleverd om kwantumcomputers te bouwen. In 2019 toonde Google voor het eerst aan dat kwantumcomputers een algoritme konden uitvoeren dat onmogelijk was voor een conventionele supercomputer.

Vorig jaar werd Google’s Sycamore‑kwantumprocessor gepresenteerd met 70 qubits, een sprong ten opzichte van de vorige versie met 53 qubits. Dit maakt het ongeveer 241 miljoen keer sneller en robuuster dan het vorige model. De nieuwe kwantumcomputer van Google simuleert ondertussen het gedrag van magneten in grote detail en kan ons helpen een dieper begrip van magnetisme te krijgen.

Met betrekking tot kwantumcomputing gebruikt Google een full‑stack‑benadering, die de naadloze integratie van hardware‑ en software‑componenten omvat. Het bedrijf voert momenteel een 3‑jarig, $5 M wereldwijd competitieprogramma genaamd XPRIZE Quantum Applications om het veld van kwantumalogrithmen te bevorderen.

Met een marktkapitalisatie van $2,2 biljoen worden Google‑aandelen verhandeld tegen $177,08, een stijging van 26,88 % YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 6,52, een P/E (TTM) van 27,18 en een dividendrendement van 0,45 %. Voor Q1 2024 rapporteerde het bedrijf een omzet van $80,5 miljard, een stijging van 15 % YoY, terwijl de operationele marge uitgroeide tot 32 %.

#2. Dell 

Dit technologiebedrijf is ook begonnen met concrete stappen in kwantumcomputing. Recentelijk introduceerde Dell een hybride klassiek/kwantum‑platform ontwikkeld met IonQ. Het kondigde ook een samenwerking aan met Aramco om vooruitgang te verkennen in kwantumcomputing, AI en edge‑computing. Samen streven Aramco en Dell ernaar complexe uitdagingen aan te pakken op het gebied van energie‑optimalisatie, weer‑modellering, materiaalkunde en voorspellend onderhoud via kwantumcomputing.

Volgens Catherine Doyle, MD van Dell Technologies (DELL ) Ireland, zal kwantumcomputing ook helpen bij AI‑vooruitgang omdat het “in de nabije toekomst verweven zal raken.”

Met een marktkapitalisatie van $100,74 miljard worden Dell‑aandelen momenteel verhandeld tegen $144,50, een stijging van 85,66 % YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 4,36, een P/E (TTM) van 32,55 en een dividendrendement van 1,25 %. Voor Q1 2024 rapporteerde het bedrijf $22,2 miljard aan omzet en $60 miljoen aan nettowinst.

Conclusie

Kwantumcomputing is een groeiend interessegebied voor onderzoekers, organisaties en overheden. Door het vermogen om hoge snelheid, verbeterde beveiliging, meer efficiëntie, nauwkeurige simulatie en verbeterde analyse te bieden, is het logisch dat er meer focus, voortdurende research en investeringen zijn, wat er uiteindelijk voor kan zorgen dat kwantumcomputing realiteit wordt en zijn toepassingen vindt in diverse sectoren.

Klik hier om meer te leren over de huidige staat van quantumcomputing.