De Kwantumtoekomst Aandrijven: Fononinterferentie en Nieuwe Materialen

In tegenstelling tot klassieke computers, zoals onze laptops en smartphones, maakt een kwantumcomputer gebruik van de eigenschappen van de kwantumfysica om berekeningen uit te voeren en gegevens op te slaan, waardoor hij beter presteert dan zelfs enkele van de beste supercomputers van vandaag bij bepaalde taken.

In tegenstelling tot het coderen van informatie in binaire bits (ofwel 0 of 1) zoals gewone computers, is de basisgeheugeneenheid van een kwantumcomputer een qubit, die wordt gemaakt met fysieke systemen zoals de spin van een elektron of de oriëntatie van een foton.

Quantumbits, of qubits, kunnen op veel verschillende manieren tegelijk worden gerangschikt. Dit betekent dat ze zowel 0 als 1 gelijktijdig kunnen vertegenwoordigen, een eigenschap die quantumsuperpositie wordt genoemd. Qubits kunnen ook met elkaar worden gekoppeld via quantumverstrengeling, waarbij de verbonden deeltjes hetzelfde lot delen, ongeacht de afstand tussen hen.

Als gevolg hiervan wordt aangenomen dat een kwantumcomputer in staat is berekeningen exponentieel sneller uit te voeren dan elke klassieke computer. 

Met dit voordeel beloven kwantumcomputers de moderne informatica te revolutioneren. Theoretisch kunnen ze logistiek optimaliseren, gangbare versleutelingsschema’s kraken, de ontdekking van nieuwe geneesmiddelen en materialen mogelijk maken, en fysici helpen bij het uitvoeren van fysieke simulaties. 

Hoewel kwantumcomputers nog geen realiteit zijn, versnelt de zoektocht naar een praktische versie nu grote technologiebedrijven werken aan opschaling van kleine laboratoriumexperimenten naar volledig werkende systemen in de komende jaren.

IBM heeft al haar gedetailleerde plan uiteengezet, waarbij Jay Gambetta, hoofd van IBM’s kwantuminitiatief, aan de Financial Times vertelde dat het geen droom meer is:

“Ik heb echt het gevoel dat we de code hebben gekraakt en dat we deze machine tegen het einde van het decennium kunnen bouwen.”

Terwijl Google, een Alphabet (GOOG ) eigendom zijnde bedrijf, ook vertrouwen heeft in haar vermogen om binnen dit tijdsbestek een industriële schaalmachine te produceren, verwacht Amazon (AMZN ) nog enkele decennia voordat deze machines echt bruikbaar worden.

Er is duidelijk een sterke focus op deze opkomende technologie onder de grootste spelers in de industrie, hoewel hun adoptie in de praktijk nog steeds wordt belemmerd door verschillende uitdagingen.

Dit omvat de gevoeligheid van qubits voor verstoringen in de omgeving, ook wel “ruis” genoemd. Factoren zoals warmte, trillingen en elektromagnetische velden kunnen ervoor zorgen dat een qubit zijn kwantumeigenschappen verliest. Dit proces, bekend als kwantumdecoherentie, leidt tot crashes van het systeem en introduceert fouten in berekeningen. Deze gevoeligheid is een grote uitdaging bij het bouwen en exploiteren van kwantumcomputers.

Om qubits te beschermen tegen externe interferentie, isoleren wetenschappers ze fysiek, houden ze koel, of bombarderen ze met geconcentreerde energiepieken.

Naast ruis zijn foutcorrectie, schaalbaarheid, gespecialiseerde kennis, resource‑intensiviteit en integratie met klassieke systemen andere uitdagingen voor kwantumcomputers. Het goede nieuws is dat deze problemen actief worden aangepakt door bedrijven en wetenschappers via verschillende benaderingen om kwantumcomputers tot een realiteit te maken. 

Neglectons: Over het Over het Hoofd Gezien Deeltjes in Kwantumcomputing

Een van de manieren om de breekbaarheid van qubits te overwinnen en stabiele kwantumcomputers te bouwen, is door ze te combineren met wiskundige elementen die eerder als irrelevant werden beschouwd. 

Deze ontdekking werd vorige week gerapporteerd door wiskundigen, die opmerkten dat over het hoofd geziene deeltjes genaamd “neglectons” de sector kunnen helpen revolutioneren¹.

De quasideeltje die hier wordt besproken, wordt een Ising anyon genoemd, die alleen bestaat in 2D-systemen en de kern vormt van topologische kwantumcomputing. Dit betekent dat anyons geen informatie in de deeltjes opslaan, maar in de manier waarop ze om elkaar heen draaien, wat veel beter bestand is tegen ruis. Het probleem is dat Ising anyons niet universeel zijn.

Om dit aan te pakken, wendde het team zich tot de “non‑semisimple topologische kwantumveldtheorie”. Deze theorie maakt het mogelijk om nieuwe, onbekende deeltjes te voorspellen “gewoon door de symmetrie van wat er gebeurt te begrijpen”.

Volgens deze theorie heeft elk deeltje een kwantumdimensie, een getal dat aangeeft hoeveel “gewicht” of invloed het heeft in het systeem. Terwijl het deeltje met nul gewicht doorgaans wordt weggegooid, worden in de nieuwe non‑semisimple versies die deeltjes bewaard voordat men uitzoekt hoe dat getal niet nul kan worden gemaakt.

De opnieuw geïnterpreteerde over het hoofd geziene onderdelen bieden de ontbrekende mogelijkheden van Ising anyons. 

De studie toonde aan dat met slechts één neglecton het deeltje in staat is tot universele berekening uitsluitend door verstrengeling. Opmerkelijk is dat Ising anyons superposities kunnen creëren omdat ze afhankelijk zijn van de vorm van het verstrengelingspad en niet van precieze locaties, en van nature beschermd zijn tegen veel soorten ruis.

AI Trainen om Atomen Efficiënt te Herordenen

In een ander geval gebruikten de onderzoekers AI om de ‘hersenen’ van een kwantumcomputer samen te stellen².

Wat het team deed, was dat ze kunstmatige intelligentie inzetten om de meest optimale manier te vinden om snel een netwerk van atomen samen te stellen dat op een dag als de hersenen van een kwantumcomputer zou kunnen fungeren.

Volgens de studie‑co‑auteur, Jian‑Wei Pan, een fysicus aan de University of Science and Technology of China:

“AI voor wetenschap ontstaat als een krachtig paradigma om complexe wetenschappelijke problemen aan te pakken.”

Bij het bouwen van ‘neutrale atoomarrays’ is de uitdaging om de manier te vinden om ze op een “efficiënte, snelle en schaalbare manier” te herordenen, wat AI heeft opgelost.

Neutrale atomen, gevangen ionen en supergeleidende circuits worden door onderzoekers gebruikt om qubits te creëren vanwege hun vermogen om kwantumtoestanden relatief lang te behouden. Wanneer atomen als qubits worden gebruikt, worden ze met laserlicht gevangen en slaan ze kwantuminformatie op in de energieniveaus van hun elektronen.

Het idee is om voldoende atomen te gebruiken om een kwantumcomputer te helpen fouten te overwinnen. Dus trainde het team het AI‑model in hoe rubidium (Rb)‑atomen in verschillende rasterconfiguraties kunnen worden geplaatst met behulp van diverse patronen van laserlicht. Vervolgens kan het AI‑model, op basis van de startlocaties van de atomen, het exacte lichtpatroon berekenen dat nodig is om ze in 2D‑ en 3D‑vormen te herordenen.

Met hun AI‑model assembleerde het team een array van maximaal 2.024 rubidiumatomen in slechts 60 milliseconden. De studie merkte op:

“Dit protocol kan gemakkelijk worden gebruikt om defectvrije arrays van tienduizenden atomen te genereren met de huidige technologieën en wordt een nuttige gereedschapskist voor kwantumfoutcorrectie.”

Magische Toestand Distillatie van Logische Qubits

Ondertussen hebben wetenschappers vorige maand een doorbraak met een ‘magische toestand’ bereikt om foutloze kwantumcomputers te bouwen.

De wetenschappers toonden daadwerkelijk een fenomeen genaamd ‘magische toestand distillatie’ aan, dat twee decennia geleden werd voorgesteld, maar tot nu toe niet werd gebruikt in logische qubits. Dit ondanks dat het als cruciaal wordt beschouwd voor het produceren van ‘magische toestanden’, die nodig zijn om het volledige potentieel van kwantumcomputers te benutten.

Dergelijke toestanden worden vooraf voorbereid om als bronnen door complexe kwantumalgoritmen te worden gebruikt.

Voor hun gebruik door algoritmen worden de hoogste kwaliteit magische toestanden eerst ‘gezuiverd’ via een filterproces dat magische toestand distillatie wordt genoemd. Hoewel dit mogelijk is op eenvoudige, foutgevoelige fysieke qubits, is dit proces niet mogelijk op logische qubits die zijn geconfigureerd om fouten te detecteren en te corrigeren.

Nu hebben wetenschappers voor het eerst magische toestand distillatie in de praktijk aangetoond op logische qubits.

Met behulp van de neutrale‑atoom Gemini kwantumcomputer destilleerden de wetenschappers vijf onvolmaakte magische toestanden tot één schonere magische toestand. Door dit afzonderlijk uit te voeren op een Distance‑3 en een Distance‑5 logische qubit, hebben de wetenschappers aangetoond dat het destillatieproces schaalt met de kwaliteit van de logische qubit.

Als gevolg hiervan overtreft de fideliteit van de uiteindelijke magische toestand die van elke invoer, wat bevestigt dat storingsbestendige magische toestand distillatie daadwerkelijk in de praktijk werkt.

Quantumgeheugen Ontgrendelen met Geluidsgolven

Nu, slechts vorige week, publiceerden Caltech‑wetenschappers hun onderzoek dat aantoonde dat geluidsgolven nog een andere weg naar praktische kwantumcomputing openen.⁴

Ze hebben een hybride kwantumgeheugen gebouwd dat elektrische informatie omzet in geluid. Dit maakt het mogelijk dat kwantumtoestanden tot wel dertig keer langer blijven bestaan dan in standaard supergeleidende systemen, waar zorgvuldig ontworpen resonatoren elektronen laten vormen tot supergeleidende qubits die uitblinken in het uitvoeren van snelle, complexe bewerkingen, maar niet geschikt zijn voor langdurige opslag. 

Het opslaan van informatie in kwantumtoestanden blijft een uitdaging; om dit aan te pakken, creëren onderzoekers ‘kwantumgeheugens’ om kwantuminformatie gedurende een periode te bewaren die langer is dan die van veelgebruikte supergeleidende qubits. En de nieuwe hybride methode van het Caltech‑team heeft het kwantumgeheugen verlengd. 

“Zodra je een kwantumtoestand hebt, wil je er misschien niet meteen iets mee doen. Je moet een manier hebben om er later op terug te komen wanneer je een logische bewerking wilt uitvoeren. Hiervoor heb je een kwantumgeheugen nodig.”

– Mohammad Mirhosseini, assistent‑professor elektrotechniek en toegepaste natuurkunde

Dus creëerde het team een supergeleidende qubit op een chip en verbond deze met een klein apparaat, een mechanische oscillator genoemd, die in wezen een kleine stemvork is. 

Deze oscillator bestaat uit flexibele platen die trillen als reactie op geluidsgolven met GHz‑frequenties. Bij het aanleggen van een elektrische lading gaan deze platen in wisselwerking met elektrische signalen die kwantuminformatie dragen, waardoor de informatie in het apparaat kan worden geleid voor opslag als een “geheugen” en later weer kan worden teruggehaald, of “herinnerd”.

Bij meting ontdekten de onderzoekers dat de oscillator een levensduur had, wat betekent dat de tijd die nodig is om kwantuminhoud te verliezen nadat informatie in het apparaat is ingevoerd, ongeveer 30 keer langer was dan die van de beste supergeleidende qubits.

Te midden van al deze vooruitgang hebben twee nieuwe studies, ondersteund door de National Science Foundation, belangrijke doorbraken bereikt die ons een stap dichter bij praktisch gebruik van kwantumcomputers brengen.

Nieuwe Kwantummaterialen voor Stabiele Qubits

Een team van onderzoekers van de Chalmers University of Technology, de Universiteit van Helsinki, en de Aalto University heeft een kwantummateriaal onthuld dat kwantumcomputing voorgoed kan veranderen door kwantumcomputers stabieler te maken. Het doet dit door magnetisme te gebruiken om de breekbare qubits te beschermen tegen ruis. 

Wanneer dit wordt gecombineerd met hun rekenhulpmiddel om materialen met magnetische interacties te vinden, kan deze doorbraak eindelijk leiden tot praktische, fouttolerante kwantumcomputers.

Het nieuwe type kwantummateriaal, samen met een methode om stabiliteit te bereiken, kan kwantumcomputers veerkrachtiger maken, waardoor de weg wordt geopend voor hun praktische gebruik bij het uitvoeren van kwantumberekeningen.

Recentelijk hebben onderzoekers actief de mogelijkheid onderzocht om volledig nieuwe materialen te creëren om het ruisprobleem op te lossen door de benodigde bescherming tegen verstoringen in hun topologie te bieden.

Kwantumtoestanden die ontstaan en worden behouden door de inherente structuur van het materiaal dat wordt gebruikt om qubits te maken, worden topologische excitaties genoemd. Deze zijn robuust en stabiel. De uitdaging blijft echter het vinden van materialen die van nature robuuste kwantumtoestanden ondersteunen.

De nieuwste studie heeft met succes zo’n nieuw kwantummateriaal voor qubits ontwikkeld dat robuuste topologische excitaties vertoont.⁵

Dit markeert een veelbelovende stap richting praktische topologische kwantumcomputing door stabiliteit direct in het ontwerp van het materiaal te integreren.

Volgens de studie‑lead‑author, Guangze Chen, een postdoctoraal onderzoeker in toegepaste kwantumfysica aan Chalmers:

“Dit is een volledig nieuw type exotisch kwantummateriaal dat zijn kwantumeigenschappen kan behouden wanneer het wordt blootgesteld aan externe verstoringen. Het kan bijdragen aan de ontwikkeling van kwantumcomputers die robuust genoeg zijn om kwantumberekeningen in de praktijk aan te pakken.”

‘Exotische kwantummaterialen’ verwijst naar verschillende nieuwe klassen van vaste stoffen met diepe veerkracht en extreme kwantumeigenschappen, en de zoektocht naar dergelijke materialen is al lange tijd een uitdaging.

Nu, wat de nieuwe methode van het team betreft, is magnetisme de sleutel. Wat onderzoekers traditioneel hebben gedaan, is een lang gevestigde ‘recept’ volgen gebaseerd op spin‑orbit koppeling (SOC). Dit is een kwantuminteractie die de spin van een elektron koppelt aan zijn orbitale beweging rond de atoomkern om topologische excitaties te creëren. 

Maar dit is vrij zeldzaam en kan slechts op een beperkt aantal materialen worden toegepast. Daarom heeft het team een nieuwe methode gepresenteerd om hetzelfde effect te bereiken. De nieuwe methode maakt gebruik van magnetisme, dat veel vaker voorkomt en toegankelijker is.

Door gebruik te maken van magnetische interacties kon het team robuuste topologische excitaties creëren die nodig zijn voor topologische kwantumcomputing.

“Het voordeel van onze methode is dat magnetisme van nature in veel materialen aanwezig is. Je kunt het vergelijken met bakken met alledaagse ingrediënten in plaats van zeldzame specerijen,” merkte Chen op. “Dit betekent dat we nu kunnen zoeken naar topologische eigenschappen in een veel breder spectrum aan materialen, inclusief diegene die eerder over het hoofd zijn gezien.”

Naast een nieuw materiaal en een nieuwe methode hebben de onderzoekers ook een gloednieuw rekenhulpmiddel ontwikkeld.

Het hulpmiddel hielp hen sneller nieuwe materialen met gewenste topologische eigenschappen te vinden. Het kan direct berekenen hoe sterk het topologische gedrag van een materiaal is.

“Onze hoop is dat deze aanpak kan helpen bij het sturen van de ontdekking van veel meer exotische materialen,” zei Chen. “Uiteindelijk kan dit leiden tot kwantumcomputerplatformen van de volgende generatie, gebouwd op materialen die van nature bestand zijn tegen de soorten verstoringen die de huidige systemen teisteren.”

De Onbenutte Kracht van Fononen Benutten

Een andere doorbraak is bereikt door onderzoekers van de Rice University, die de weg kan vrijmaken voor technologieën van de volgende generatie in sensoren en computing. Deze heeft een sterke vorm van interferentie tussen fononen aangetoond.

Fononen zijn trillingen in de structuur van een materiaal die de kleinste eenheden van warmte of geluid in dat systeem vormen. 

Wanneer twee fononen met verschillende frequentieverdelingen met elkaar interfereren, wordt dat fenomeen Fano‑resonantie genoemd. De studie rapporteerde een Fano‑resonantie die twee orders van grootte groter was dan ooit tevoren.

“Hoewel dit fenomeen goed bestudeerd is voor deeltjes zoals elektronen en fotonen, is interferentie tussen fononen veel minder onderzocht,” zei de eerste auteur van de studie, Kunyan Zhang, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan Rice. “Dat is een gemiste kans, aangezien fononen hun golfgedrag gedurende lange tijd kunnen behouden, waardoor ze veelbelovend zijn voor stabiele, high‑performance apparaten.”

De studie heeft effectief aangetoond dat fononen net zo succesvol kunnen worden benut als licht of elektronen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor nieuwe fonon‑gebaseerde technologieën. De basis van deze doorbraak is het gebruik van een 2D‑metaal op een siliciumcarbide‑basis.

Tussen een laag grafeen en siliciumcarbide plaatste het team enkele lagen zilveratomen met behulp van de confinement‑heteroepitaxie‑techniek, wat een sterk gebonden interface opleverde met uitzonderlijke kwantumeigenschappen.

“Het 2D‑metaal triggert en versterkt de interferentie tussen verschillende vibratiemodi in siliciumcarbide, waardoor recordniveaus worden bereikt.”

– Zhang

Voor hun werk onderzocht het team precies hoe fononen met elkaar interfereren. Hiervoor keken ze naar de signaalvorm in Raman‑spectroscopie, een techniek die wordt gebruikt om de vibratiemodi van een materiaal te meten. Wat de onderzoekers vonden, was een scherp asymmetrische lijnvorm, die in sommige gevallen een volledige dip vertoonde, waardoor een anti‑resonantiepatroon ontstaat dat kenmerkend is voor intense interferentie.

Dit effect toonde een hoge gevoeligheid voor de specificiteiten van het siliciumcarbide (SiC)-oppervlak.

Bij het vergelijken van drie unieke SiC‑oppervlakte‑terminaties vonden de onderzoekers een sterke koppeling tussen elk van hen en de unieke Raman‑lijnvorm. Bovendien veranderde de vorm van de spectrale lijn duidelijk toen een enkel dye‑molecuul aan het oppervlak werd toegevoegd.

“Deze interferentie is zo gevoelig dat hij de aanwezigheid van een enkel molecuul kan detecteren,” zei Zhang. “Het maakt label‑vrije detectie van één enkel molecuul mogelijk met een eenvoudige en schaalbare opstelling. Onze resultaten openen een nieuw pad voor het gebruik van fononen in kwantumsensing en molecuuldetectie van de volgende generatie.”

Bij het onderzoeken van de dynamiek van het effect bij lage temperaturen werd bevestigd dat de interferentie uitsluitend voortkomt uit fononinteracties en niet uit elektronen, waardoor het een zeldzaam geval is van alleen‑fonon‑kwantuminterferentie. 

Het team observeerde dit effect alleen in het 2D‑siliciumcarbide‑systeem dat ze gebruikten, vanwege de oppervlakteconfiguraties en speciale overgangspaden die door de dunne laag werden mogelijk gemaakt.

“In vergelijking met conventionele sensoren biedt onze methode hoge gevoeligheid zonder de noodzaak van speciale chemische labels of een ingewikkelde apparaatopstelling,” zei co‑auteur Shengxi Huang, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek en materiaalwetenschap en nano‑engineering aan Rice. “Deze fonon‑gebaseerde benadering bevordert niet alleen de moleculaire detectie, maar opent ook spannende mogelijkheden in energie‑opwekking, thermisch beheer en kwantumtechnologieën, waar het beheersen van trillingen cruciaal is.”

Swipe to scroll →

Investeren in Kwantumcomputing

Verschillende grote technologie‑giganten en investeerders zetten groots in op kwantumdoorbraken. Dit omvat onder andere IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), en nog veel meer. Ze schalen allemaal hun kwantuminzettingen, terwijl durfkapitaal ononderbroken blijft stromen naar startups die nieuwe materialen, foutcorrectie en fonon‑technologieën verkennen.

Microsoft (MSFT )

Onder al deze grote namen valt Microsoft opvallend sterk op. Het heeft zowel kwantum‑ als fusie‑investeringen gepusht en presenteert ze als complementaire technologieën om AI‑gedreven datacenters in de toekomst van stroom te voorzien. In dezelfde lijn weerspiegelen het quantum‑AI‑lab van Google en de meerjarige kwantum‑roadmaps van IBM hun doel om praktische kwantummachines binnen het decennium te realiseren.

De aandelenkoers van Microsoft steeg van ongeveer $354 begin april 2025 tot een piek van meer dan $524 in augustus, voordat hij op 19 augustus weer zakte naar ongeveer $509. De huidige waardering van het bedrijf omvat een koers‑winstverhouding (P/E) van 38,1, met winst per aandeel (TTM) van $13,70 en een dividendrendement van 0,59 %. En voor het fiscale jaar 2025 bedroeg de omzet $281,7 miljard en de nettowinst $101,8 miljard. De vraag naar zijn cloud‑ en AI‑activiteiten draagt met name bij aan de stijgende prestaties.

Laatste Microsoft Corporation (MSFT) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Conclusie

Kwantumcomputers beschikken over het vermogen om complexe berekeningen uit te voeren met snelheden die ver boven die van klassieke computers liggen, wat belooft doorbraken mogelijk te maken in diverse vakgebieden, waaronder geneesmiddelenontdekking, materiaalkunde, AI en cryptografie.

Maar natuurlijk zijn kwantumcomputers nog verre van een realiteit en worden ze geconfronteerd met uitdagingen zoals ruis, schaalbaarheid, stabiliteit, opslag, geheugen en controle. Aan de positieve kant maken onderzoekers echter voortdurend vooruitgang op al deze fronten, en samen brengen ze ons dichter bij het ontgrendelen van praktische kwantumcomputers!

Klik hier voor een lijst van de top vijf kwantumcomputingbedrijven.

Referenties:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universele kwantumcomputatie met Ising anyons uit een non‑semisimple topologische kwantumveldtheorie. Nature Communications, 16, 6408, gepubliceerd 5 augustus 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025, 15 augustus). AI helpt bij het samenstellen van het ‘brein’ van de toekomstige kwantumcomputer. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, J. M., Jepsen, P. N., et al. Experimentele demonstratie van logische magische toestand distillatie. Nature, gepubliceerd 14 juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., et al. Een mechanisch kwantumgeheugen voor microgolf‑fotonen. Nature Physics, gepubliceerd 13 augustus 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, E. L., Lado, J. L., & Chen, G. Topologische nulmodi en correlatie‑pompen in een ontworpen Kondo‑rooster. Physical Review Letters, 134(11), 116605, gepubliceerd maart 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Instelbare fonon‑kwantuminterferentie geïnduceerd door twee‑dimensionale metalen. Science Advances, 11, eadw1800, gepubliceerd 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800