Caltech schaalt neutrale‑atoom qubits tot 6.100 met pincetten

Het is ongeveer vier decennia geleden sinds optische pincetten werden ontwikkeld, en ze blijven de fysica, biologie en geneeskunde tot op de dag van vandaag revolutioneren.

Optische pincetten zijn een opmerkelijk hulpmiddel dat microscopische objecten, zoals cellen, atomen, moleculen en druppels, kan oppakken en verplaatsen zonder ze aan te raken. 

Deze hulpmiddelen gebruiken gefocuste lasers om objecten te manipuleren. Door een sterk gefocuste lichtstraal te gebruiken, kunnen ze microscopische en sub‑microscopische deeltjes stabiel in drie dimensies vasthouden.

De straal wordt door een hoogwaardige microscoop tot een punt gefocust, waardoor een ‘optische val’ ontstaat die een deeltje vasthoudt. Dit deeltje ondervindt krachten die bestaan uit verstrooid licht en gradiëntkrachten als gevolg van de interactie met het licht.

Ontwikkeld door de Amerikaanse natuurkundige Arthur Ashkin in 1986, die er in 2018 een Nobelprijs voor de natuurkunde voor ontving, stellen optische pincetten wetenschappers in staat om individuele bacteriën, een spermacel, DNA‑strengen, de interactie van enkele deeltjes met licht en nog veel meer te bestuderen.

Tegenwoordig vormen deze wetenschappelijke instrumenten de basis voor vele toonaangevende experimenten in simulatie en kwantumcomputing. 

Zo hebben wetenschappers van de afdeling Experimentele Fysica en het Instituut voor Kwantumoptica en Kwantuminformatie (IQOQI) onlangs enkele erbiumatomen gevangen¹ in optische pincetarrays voor de eerste keer, waardoor het gebruik van deze hulpmiddelen wordt uitgebreid van eenvoudige systemen naar complexere kwantumexperimenten.

Dit soort experimenten, die tientallen tot honderden atomaire qubits vangen, hebben recent arrays van ongeveer duizend atomen bereikt.

Het opschalen hiervan naar duizenden atomaire qubits met lage verliezen, lange coherentie‑tijden en hoge‑fideliteit beeldvorming, wat cruciaal is voor vooruitgang in kwantumfoutcorrectie, is echter een grote uitdaging.
Veeg om te scrollen →

Dit is echter nu experimenteel aangetoond door Caltech‑onderzoekers. Ze hebben met succes 6.100 neutrale atomen gevangen in ongeveer 12.000 sites met behulp van een array van optische pincetten. Tegelijkertijd overtroffen ze de “state‑of‑the‑art prestaties voor verschillende meetwaarden die het succes van het platform ondersteunen”, merkte het team op.

De onderzoekers toonden een coherentie‑tijd van 12,6(1) seconden aan, wat een record is voor hyperfijne qubits in een optische pincetarray. Duurzaam gedurende ongeveer 23 minuten, behaalden ze een recordhoge beeldvormingsoverleving van 99,98952(1)% met een beeldvormingsfideliteit van meer dan 99,99%.

Volgens het team suggereren deze resultaten dat universele kwantumcomputing binnenkort een realiteit kan worden. 

Waarom foutcorrectie de roadmap van kwantumcomputing domineert

Kwantumcomputing heeft de interesse van onderzoekers en bedrijven wereldwijd gewekt. 

Volgens analisten van BofA wordt verwacht dat de markt voor kwantumcomputing tegen het begin van het volgende decennium een waardering van ongeveer $4 miljard zal bereiken. 

De “belofte van kwantumcomputing is echt,” zeiden de analisten in een notitie aan cliënten, en voegden toe dat er nog verschillende obstakels zijn voor de groei van de technologie, en zodra deze zijn overwonnen, “verwachten we een veel betekenisvollere omslag in de inkomsten.”

Voorstanders van kwantumcomputing benadrukken het potentieel om financiën, gezondheidszorg, logistiek, cyberbeveiliging, materiaalkunde en kunstmatige intelligentie te transformeren. 

Deze week meldde HSBC Holdings dat het een wereldprimeur heeft behaald in het gebruik van kwantumcomputing op de financiële markten. De in Londen gevestigde bank gebruikte IBM’s Heron‑kwantumprocessor bij obligatiehandel, wat een verbetering van 34% opleverde in het voorspellen van de kans dat een obligatie tegen een bepaalde prijs wordt verhandeld. 

Kwantumverwerking werd toegepast op een geanonimiseerde set Europese obligatiehandelsdata, waar het het vermogen aantoonde om de efficiëntie van de markt aanzienlijk te verbeteren.

Praktische toepassingen van kwantumtechnologie in andere sectoren zijn nog niet stevig vastgesteld, met critici die betogen dat de revolutie van kwantumcomputers niet alleen nog ver weg is, maar ook beperkt.

Zo bracht Google eind vorig jaar een nieuwe chip genaamd Willow uit die, volgens hen, een grote doorbraak in het veld van kwantumcomputing markeert, maar merkten ze op dat de benchmark die wordt gebruikt om de prestaties te meten “geen bekende toepassingen in de echte wereld” heeft.²

Desondanks schat McKinsey dat de waarde van de kwantumtechnologiemarkt binnen een decennium kan oplopen tot $100 miljard.

Deze cijfers zijn gebaseerd op de verwachting dat bepaalde problemen niet door klassieke computers kunnen worden opgelost, maar gemakkelijk door kwantumcomputers kunnen worden aangepakt, waardoor we andere kwantumsystemen beter kunnen begrijpen en manipuleren. 

Echter, momenteel ondervindt kwantumcomputing aanzienlijke uitdagingen op het gebied van decoherentie, waardoor qubits fragiel en foutgevoelig worden. Dit maakt op zijn beurt de dure fouttolerantie cruciaal voor betrouwbare kwantumcomputing.

Qubits of kwantumbits zijn gelijk aan bits in klassieke computers. Maar terwijl klassieke bits altijd één of nul zijn, kunnen kwantumbits beide tegelijk zijn totdat hun toestand wordt gemeten, en de toestanden van meerdere qubits kunnen ook verstrengeld zijn. 

Deze twee fenomenen, superpositie (het vermogen van een qubit om gelijktijdig in meerdere toestanden te bestaan) en verstrengeling (het vermogen van qubits om verbonden te zijn en dezelfde toestand te delen ongeacht de afstand), geven kwantumcomputers mogelijkheden die klassieke computers niet hebben.

Beide zijn echter zeer fragiele toestanden die gemakkelijk kunnen worden vernietigd door de kleinste interactie met de omgeving.

Van elektromagnetische interferentie tot temperatuurveranderingen, omgevingsfactoren kunnen die eigenschappen doen instorten, wat leidt tot onnauwkeurige resultaten. Dus is deze fragiliteit een van de grootste obstakels voor schaalbare en krachtige kwantumcomputing, en daarom is veel onderzoek in het veld gericht op kwantumfoutcorrectie (QEC).

Een van de manieren waarop onderzoekers de fragiliteit van qubits compenseren en fouten corrigeren, is door kwantumcomputers te bouwen met extra, redundante qubits. Dit betekent dat een robuuste kwantumcomputer honderden duizenden qubits zal hebben.

Caltech’s recordbrekende neutrale‑atoom array balanceert kwantiteit & kwaliteit

Werkend aan het bouwen van een kwantumcomputer met veel qubits om eventuele fouten te corrigeren, heeft een team van onderzoekers aan Caltech een record gevestigd door de grootste qubit‑array te creëren die tot nu toe is samengesteld.

In totaal zijn 6.100 neutrale‑atoom qubits opgesloten in een raster met behulp van lasers. Voorheen bevatte dit type array slechts honderden qubits.

Gepubliceerd in Nature, beschrijft de studie met de titel “A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits³” de mijlpaal, die neutrale atomen gebruikte. 

Neutrale atomen zijn atomen zonder netto elektrische lading. Dus is het aantal protonen gelijk aan dat van elektronen. 

Door hun interne energieniveaus te benutten, kunnen onderzoekers neutrale atomen als qubits gebruiken. Energieniveaus kunnen worden gecontroleerd en gemanipuleerd met behulp van lasers en magnetische velden om specifieke bewerkingen uit te voeren.

Omdat ze neutraal zijn, interageren de atomen niet sterk met elkaar, waardoor het mogelijk is om grote arrays van atomen te vangen en de bouw van grootschalige kwantumprocessoren mogelijk te maken. Bovendien vertonen neutrale atomen lange coherentie‑tijden, een andere factor die ze gunstig maakt voor kwantumcomputatie.

Maar natuurlijk zijn er uitdagingen op het gebied van de noodzaak voor precieze controle over het vangen, koelen en manipuleren.

“Dit is een spannend moment voor neutrale‑atoom kwantumcomputing. We kunnen nu een pad zien naar grote foutgecorrigeerde kwantumcomputers. De bouwstenen zijn aanwezig.”

– Hoofdonderzoeker van het onderzoek, Manuel Endres & een professor in de fysica aan Caltech

Onder leiding van Caltech‑afstudeerders Hannah Manetsch, Gyohei Nomura en Elie Bataille gebruikte de studie optische pincetten om duizenden individuele cesium (Cs) atomen in een raster te vangen. 

Om de atoomarray te bouwen, splitsten ze een laserstraal in 12.000 pincetten, die in totaal 6.100 atomen in een vacuümkamer vasthielden. “Op het scherm kunnen we elke qubit daadwerkelijk zien als een lichtpuntje,” zei Manetsch. “Het is een opvallend beeld van kwantumhardware op grote schaal.”

Hoewel het team een nieuw record in schaal heeft bereikt, kwam deze hoeveelheid niet ten koste van de kwaliteit, aangezien ze zelfs lange coherentie‑tijden behaalden.

Het team kon deze qubits ongeveer 13 seconden in superpositie houden, wat ongeveer tien keer langer is dan wat vergelijkbare arrays eerder hebben bereikt. Bovendien konden ze individuele qubits manipuleren met een nauwkeurigheid tot 99.98%.

Volgens Nomura:

“Grote schaal, met meer atomen, wordt vaak gedacht ten koste te gaan van nauwkeurigheid, maar onze resultaten tonen aan dat we beide kunnen doen. Qubits zijn niet nuttig zonder kwaliteit. Nu hebben we kwantiteit en kwaliteit.”

Bovendien toonde het team aan dat ze de atomen honderden micrometers (μm) over de array kunnen verplaatsen terwijl ze de superpositie behouden. Denk eraan als het balanceren van een glas water tijdens het rennen.

“Proberen een atoom vast te houden terwijl je beweegt is als proberen het glas water niet te laten kantelen. Proberen het atoom ook in een superpositie‑toestand te houden is als voorzichtig zijn om niet zo snel te rennen dat het water overspuugt.”

– Manetsch

Dit vermogen is een sleutelkenmerk van neutrale‑atoom kwantumcomputers, omdat het een efficiëntere foutcorrectie mogelijk maakt vergeleken met supergeleidende qubits.

Het onderzoek toont aan dat neutrale atomen een sterke kandidaat zijn om ons te helpen kwantumfoutcorrectie te implementeren op de schaal van duizenden fysieke qubits, wat de volgende grote prestatie voor het veld is.

“Kwantumcomputers moeten informatie coderen op een manier die tolerant is voor fouten, zodat we daadwerkelijk waardevolle berekeningen kunnen uitvoeren. In tegenstelling tot klassieke computers kunnen qubits niet eenvoudig worden gekopieerd vanwege het zogenaamde no‑cloning‑theorema, dus foutcorrectie moet vertrouwen op subtielere strategieën.”

– Bataille

Met de bereikte superpositie‑toestand, die een cruciale rol speelt in informatieverwerking en -opslag, zal het team nu werken aan verstrengeling, waarbij ze de qubits in hun array verbinden, zodat de deeltjes als één kunnen functioneren. 

Door de verstrengelingstoestand te bereiken, zullen kwantumcomputers volledige kwantumberekeningen en simulaties kunnen uitvoeren. Door verstrengeling te benutten, zullen onderzoekers ook nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen kunnen doen.

“Het is spannend dat we machines creëren die ons helpen het universum te leren kennen op manieren die alleen de kwantummechanica ons kan leren.”

– Manetsch

Nieuwe foutonderdrukkende architecturen & hyperverstrengeling resultaten

Endres en zijn team werken al lange tijd aan kwantumcomputing. Hij is gespecialiseerd in het controleren van enkele atomen met behulp van optische pincetten om fundamentele eigenschappen van kwantumsystemen te bestuderen. 

Naast het recordbrekende kwantumsysteem dat controle heeft over meer dan 6.000 individuele atomen, hebben de experimenten van zijn team geleid tot nieuwe technieken om fouten in kwantummachines te wissen en een nieuw apparaat dat de meest precieze klokken ter wereld kan leveren.

In mei dit jaar publiceerden ze een studie⁴ die het probleem van het trillende bewegen van atomen aanpakt, waardoor het moeilijk is het systeem te controleren. Wat ze hebben gedaan is dat ze het probleem zelf hebben gebruikt om kwantuminformatie te coderen.

“We laten zien dat atomaire beweging, die meestal wordt beschouwd als een bron van ongewenste ruis in kwantumsystemen, kan worden omgezet in een sterkte.”

De mede‑hoofd­auteur van de studie, Adam Shaw

Hun experiment codeerde kwantuminformatie in de beweging van de atomen en leidde tot een staat van hyperverstrengeling.

Dit betekent dat de individuele elektronische toestanden en bewegingsstaten van de hyperverstrengelde atoomparen gecorreleerd waren. Hun demonstratie, de eerste van hyperverstrengeling in massieve deeltjes zoals neutrale atomen of ionen, impliceert bovendien dat nog meer eigenschappen gelijktijdig kunnen worden verstrengeld.

“Dit stelt ons in staat om meer kwantuminformatie per atoom te coderen,” zei Endres. “Je krijgt meer verstrengeling met minder middelen.”

Voor hun experimenten koelden ze een array van individuele alkalimetaal neutrale atomen af die gevangen waren in optische pincetten, waarmee ze een nieuwe vorm van koeling demonstreerden via “detectie en daaropvolgende actieve correctie van thermische bewegingsexcitatie”.

Het team meet in wezen de beweging van elk atoom en past vervolgens, afhankelijk van het resultaat, een bewerking atoom‑voor‑atoom toe.

De techniek zorgde ervoor dat de atomen bijna volledig tot stilstand kwamen. De atomen werden vervolgens geïnduceerd om te oscilleren met een amplitude van 100 nanometer, waardoor ze in twee verschillende oscillaties tegelijk werden geëxciteerd, waardoor de beweging zich in de superpositie‑toestand bevond. 

De individuele atomen werden vervolgens verstrengeld met partneratomen, die verder hyperverstrengeld werden om de beweging en elektronische toestanden van de atomen te correleren.

“In feite was het doel hier om de grenzen te verleggen van hoeveel we deze atomen konden controleren. We bouwen in wezen een gereedschapskist: we wisten hoe we de elektronen binnen een atoom konden controleren, en we hebben nu geleerd hoe we de externe beweging van het atoom als geheel kunnen controleren. Het is als een atoomspeeltje dat je volledig onder de knie hebt.”

– Endres

In een andere studie van Caltech toonde een team van wetenschappers van het Caltech Center for Quantum Computing op de campus van de universiteit een nieuwe kwantumchip‑architectuur⁵ aan die is ontworpen om fouten te onderdrukken. 

“Voor kwantumcomputers om succesvol te zijn, moeten foutpercentages ongeveer een miljard keer beter zijn dan ze nu zijn,” zei Oskar Painter, hoofd van kwantumhardware bij AWS en professor fysica aan Caltech. Terwijl foutpercentages dalen, gebeurt dit in een langzaam tempo, “ongeveer een factor twee elke twee jaar,” dus om dit proces te versnellen, ontwikkelen ze een nieuwe chip‑architectuur, hoewel het “een vroeg bouwblok” is.

De onderzoekers gebruiken cat‑qubits, die aanzienlijk minder bit‑flip fouten hebben, waarbij fase‑flip fouten de enige resterende fouten zijn die moeten worden gecorrigeerd. Dit betekent dat de onderzoekers een herhalingscode kunnen gebruiken. In hun nieuwe chip, genaamd Ocelot, betekent een klassieke herhalingscode dat er geen zoveel qubits nodig zijn om fouten te corrigeren.

“We hebben een schaalbaardere architectuur aangetoond die het aantal extra qubits dat nodig is voor foutcorrectie met tot 90 procent kan verminderen.“

– Fernando Brandão, professor theoretische fysica aan Caltech en directeur van toegepaste wetenschap bij AWS

Om dit te bereiken combineert de Ocelot‑chip vijf cat‑qubits, speciale buffercircuits om hun oscillatie te stabiliseren, en vier ondersteunende qubits om fasefouten te detecteren. De herhalingscode is effectief gebleken bij het opvangen van fase‑flip fouten, wat verbetert naarmate de code toeneemt van drie naar vijf cat‑qubits.

Investeren in kwantumtechnologie

Nu is een van de puurste spelers in de kwantumcomputermarkt IonQ (IONQ ), die de trapped‑ion benadering gebruikt om de technologie werkelijkheid te maken. Wat het echt onderscheidt, zijn de hoge‑fideliteit poorten, integratie met grote cloudplatformen, agressieve overnames en sterke patentreeks, hoewel schaalkosten een grote uitdaging vormen.

IonQ (IONQ )

Tien jaar geleden opgericht op basis van jaren onderzoek aan de Universiteit van Maryland en Duke University, ontwikkelt IonQ trapped‑ion kwantumcomputers. Het doel van het bedrijf is deze technologie naar commerciële, industriële en academische toepassingen te brengen. 

Hiervoor richt het bedrijf zich op geïoniseerde atomen, waarvan het gelooft dat ze de computers in staat stellen om langere tijd meer geavanceerde berekeningen uit te voeren met minder fouten.

Deze maand beweerde IonQ een twee‑qubit poortfideliteit van meer dan 99,9% te hebben bereikt op zijn barium‑ontwikkelingsplatformen, waardoor het dichter bij zijn commerciële systeem, IonQ Tempo, komt.

Deze mijlpaal “markeert een kritische drempel voor enterprise‑grade systemen,” zei IonQ’s SVP Engineering en Technologie, Dean Kassmann, en merkte op dat “hoe beter de native poortfideliteit, hoe minder foutcorrectie in alle vormen nodig is. Hogere fideliteit is ook essentieel voor snellere, nauwkeurigere kwantumtoepassingen.”

Het gebruik van bariumionen als qubits is een verschuiving van de ytterbiumionen waar het bedrijf het grootste deel van zijn geschiedenis mee werkte. Bariumionen zijn gekozen vanwege hun hogere poortsnelheden, hogere native fideliteitslimiet, betere stabiliteit, lagere fouten bij toestandvoorbereiding/-meting (SPAM), en superieure algehele prestaties. 

IonQ heeft ook een robuuste portfolio van patenten die nu de 1.000 overschrijdt, wat volgens hen het bedrijf in staat stelt schaalbare, high‑performance, kosteneffectieve systemen te ontwikkelen, waardoor de tijdlijn voor een ongeëvenaarde commerciële kwantumvoorsprong wordt versneld.

Per 29 september 2025 sloot IONQ af op $64,26 (all‑time high $75,14 op 23 september 2025). Dat is ongeveer 7,4× hoger dan de $8,74 slotkoers op 30 september 2024. De jaar‑tot‑datum prestatie varieert per bron, maar ligt grofweg tussen +50–90%. De marktkapitalisatie is ongeveer $20–22 miljard.

Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van -2,02 en een P/E (TTM) van -33,35.

Wat de financiën betreft, rapporteerde IonQ $20,7 miljoen aan omzet voor het tweede kwartaal eindigend op 30 juni 2025. Het nettoverlies bedroeg $177,5 miljoen. Contanten, kasequivalenten en investeringen aan het einde van de periode waren $656,8 miljoen.

Tijdens dit kwartaal versterkte het bedrijf zijn balans via de grootste aandeleninvestering van één enkele instelling in de sector. IonQ voltooide ook de overname van quantum interconnect‑bedrijf Lightsynq en ruimtevaarttechnologiebedrijf Capella, en stelde de overname van Oxford Ionics voor voor $1,075 miljard.

“De combinatie van IonQ hardware‑ en software‑expertise en Oxford’s implementatie van ion‑trap‑on‑a‑chip biedt het team, IP, technologie en momentum om in 2027 800 logische qubits en in 2030 80.000 logische qubits te bereiken.”

– CEO Niccolo de Masi

In het tweede kwartaal rapporteerde IonQ een versnelling tot 20× in een kwantumversnelde computationele chemieworkflow (voor geneesmiddelenontwikkeling) in samenwerking met AstraZeneca (AZN ), NVIDIA (NVDA ) en AWS.

Laatste IonQ (IONQ) aandelen nieuws en ontwikkelingen

Conclusie

Kwantumtechnologie wordt breed verwacht de industrieën te revolutioneren door complexe problemen op te lossen. Het recordbrekende experiment bij Caltech toont aan dat grootschalige, foutgecorrigeerde kwantumcomputing mogelijk dichter bij de realiteit komt.

Met dergelijk onderzoek, samen met nieuwe architecturen, vooruitgang in materialen en commerciële spelers die de ontwikkeling versnellen, zou kwantumtechnologie de komende jaren een universeel inzetbare tool kunnen worden, waardoor doorbraken in wetenschap en samenleving mogelijk worden.

Klik hier voor een lijst van top kwantumcomputing bedrijven.

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. Physical Review Letters, 133, 223402. Gepubliceerd 26 november 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (2024, 9 december). Meet Willow, ons state‑of‑the‑art kwantumchip. Google Research Blog. Opgehaald van https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. Gepubliceerd 24 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. (Version of Record), gepubliceerd 24 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Hardware‑efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), gepubliceerd 26 februari 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7