Geluidsgolven bieden doorbraak in het opslaan van kwantuminformatie

Quantum computing belooft ongekende snelheid bij het oplossen van complexe problemen om doorbraken te stimuleren op het gebied van AI, financiën, logistiek, materiaalkunde, geneesmiddelenontdekking en cryptografie.

Maar hoewel het potentieel van de technologie enorm is, is de realisatie niet eenvoudig, want in de praktijk blijkt het erg moeilijk om kwantumcomputers te laten werken en ze te gebruiken om problemen uit de echte wereld op te lossen.

Quantum computing is nog steeds een experimentele technologie, waarbij onderzoekers werken aan het overwinnen van de obstakels om nauwkeurige simulaties van kwantumniveau-fenomenen uit te voeren. Een van de belangrijkste problemen hierbij is het opslaan van informatie voor een lange tijd.

Dit is omdat, hoewel supergeleidende qubits grote mogelijkheden hebben om kwantuminformatie te verwerken, ze nogal beperkte coherentie-tijden hebben.

Coherentie is het vermogen van een kwantumsysteem om de relatie tussen verschillende toestanden in een superpositie te behouden. Deze fundamentele eigenschap stelt qubits in staat om te bestaan in een lineaire combinatie van basisstaten, waardoor de paralleliteit en interferentie mogelijk worden die de kern vormen van kwantumcomputing. 

Essentieel voor het uitvoeren van kwantumoperaties, is coherentie tamelijk fragiel en kan gemakkelijk verloren gaan door zelfs kleine interacties met de omgeving.

Als er geen coherentie is, gaat het kwantumgedrag van de qubit verloren, waardoor kwantumberekeningen zinloos worden. Ondertussen is decoherentie het proces waarbij coherentie verloren gaat, en blijft het een grote uitdaging bij het bouwen en exploiteren van kwantumcomputers.

Nu zijn supergeleidende qubits een fysieke manier om qubits te realiseren, en ze vertrouwen op het behouden van kwantumcoherentie om te functioneren. Maar natuurlijk blijft decoherentie hun grootste uitdaging.

Superconducting qubits zijn kleine schakelingen gemaakt van specifieke materialen, die kwantumverschijnselen zoals superpositie en verstrengeling benutten om berekeningen uit te voeren. De materialen die worden gebruikt om een schakeling te maken, worden gekoeld tot bijna het absolute nulpunt om ze supergeleidend te maken, wat betekent dat ze elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand.

Hoewel deze supergeleidende qubits opmerkelijk zijn in snelle berekeningen, hebben ze moeite om informatie gedurende langere periodes op te slaan.

Een interface tussen fotonen en fononen kan echter kwantuminformatie opslaan in langdurige mechanische oscillatoren. Een team van Caltech heeft precies dat gedaan; ze hebben een platform geïntroduceerd dat afhankelijk is van elektrostatische krachten in nanoschaalstructuren om een sterke koppeling te bereiken tussen een qubit en een nanomechanische oscillator.

De energiedecay-tijd (T1) is ongeveer 25 ms, wat hoger is dan die in geïntegreerde supergeleidende schakelingen.

Om de oorzaken van decoherentie te onderzoeken en de impact ervan te verminderen, gebruikte het team kwantumoperaties. Het gebruik van twee-puls dynamische decoupling-sequenties hielp hen een langere coherentie-tijd (T2) van 1 ms te bereiken, een uitbreiding ten opzichte van 64 µs.

De bevindingen van de studie tonen aan dat in supergeleidende apparaten mechanische oscillatoren kunnen dienen als kwantumgeheugens, met het potentieel om te worden gebruikt in kwantumcomputing, sensortechniek en transductie.

Hoe geluidsgolven kwantumtoestanden langer opslaan

Conventionele computers zoals laptops en telefoons slaan informatie op in de vorm van bits.

Bits zijn de kleinste eenheid van digitale informatie, die fundamentele logische elementen zijn die een enkele binaire waarde van nul of één kunnen aannemen.

Kwantumcomputers kunnen daarentegen een toestand hebben die zowel nul als één is tegelijk, wat bekend staat als superpositie, en dit is de reden achter de belofte van kwantumcomputing om problemen op te lossen die niet beheersbaar zijn voor onze klassieke computers.

Veel bestaande kwantumcomputers zijn gebaseerd op supergeleidende elektronische systemen, waarbij elektronen zonder enige weerstand stromen bij extreem lage temperaturen. In deze systemen, wanneer de kwantummechanische aard van elektronen door resonatoren stroomt, creëren ze supergeleidende qubits.

Deze qubits zijn uitstekend in het uitvoeren van de logische bewerkingen die nodig zijn voor computing. Maar ze zijn niet echt goed in het opslaan van informatie, die wordt weergegeven door wiskundige beschrijvingen van specifieke kwantumsystemen. 

Om de opslagduur van kwantumtoestanden te vergroten, hebben ingenieurs gekeken naar het bouwen van ‘kwantumgeheugens’ voor supergeleidende qubits.

Een team van wetenschappers van Caltech heeft een hybride benadering gekozen voor deze kwantumgeheugens. 

Elektrische informatie werd effectief omgezet in geluid met deze benadering. Om kwantuminformatie om te zetten in geluidsgolven, gebruikten ze een klein apparaat dat fungeert als een miniatuur stemvork.

Dit maakte het mogelijk dat de levensduur van kwantumtoestanden tot wel dertig keer langer werd dan bij andere technieken, waardoor de basis werd gelegd voor schaalbare, praktische kwantumcomputers met de capaciteit om niet alleen te berekenen maar ook te onthouden.

“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 aan Caltech

Supported by funding from the National Science Foundation and the Air Force Office of Scientific Research, the study was led by Caltech graduate students Alkim Bozkurt and Omid Golami and was gepubliceerd¹ in the journal Nature Physics.

Het beschreef de fabricage van een supergeleidende qubit op een chip, die vervolgens werd verbonden met een klein apparaat dat een mechanische oscillator wordt genoemd.

Een mechanische oscillator is een systeem dat oscillerende beweging vertoont. Het is in wezen een miniatuur stemvork, die in dit onderzoek bestaat uit flexibele platen. Deze platen worden geactiveerd met geluidsgolven op gigahertz (GHz) frequenties.

Wanneer het team een elektrische lading op die flexibele platen plaatste, konden ze interageren met elektrische signalen die kwantuminformatie droegen, waardoor deze in het apparaat kon worden overgebracht voor opslag als een “geheugen” en later weer kon worden uitgezonden of “herinnerd”.

De onderzoekers maten precies hoe lang het duurde voordat de oscillator zijn kwantuminhoud verloor nadat informatie het apparaat binnenkwam.

“Het blijkt dat deze oscillatoren een levensduur hebben die ongeveer 30 keer langer is dan de beste supergeleidende qubits die er bestaan.”

– Mirhosseini

Deze methode om een kwantumgeheugen te construeren heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere technieken. Akoestische golven reizen bijvoorbeeld veel langzamer dan elektromagnetische golven, waardoor compactere apparaten mogelijk zijn.

Elektromagnetische (EM) golven zijn transversale golven van oscillerende elektrische en magnetische velden die energie door de ruimte dragen. Ze worden geproduceerd door de versnelling van geladen deeltjes en omvatten een spectrum dat radiofrequenties, microgolven, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgenstralen en gammastralen omvat.

Veeg om te scrollen →

Alle EM-golven reizen met de lichtsnelheid in een vacuüm en hebben geen medium nodig om zich voort te planten.

Intussen zijn akoestische golven mechanische golven, zoals geluidsgolven, die energie overbrengen via een medium zoals vast, vloeistof of gas door de deeltjes van het medium te laten trillen, samendrukken en uitzetten. Deze golven worden gekenmerkt door eigenschappen zoals frequentie, amplitude en golflengte. Akoestische golven omvatten een reeks frequenties, waaronder infrageluid en ultrasoon.

Omdat mechanische trillingen, in tegenstelling tot EM-golven, zich niet in de vrije ruimte voortplanten, lekt de energie niet uit het systeem en kan deze sterker worden opgesloten binnen een medium, waardoor langere opslagtijden mogelijk zijn en ongewenste energie-uitwisseling tussen naburige apparaten wordt verminderd.

Deze voordelen bieden de mogelijkheid om veel van zulke stemvorken in één chip op te nemen, waardoor een schaalbare manier voor kwantumgeheugens ontstaat.

De studie, volgens Mirhosseini, vertoont minimale interactie tussen akoestische en elektromagnetische golven die nodig is om de waarde van dit hybride systeem als geheugenelement te onderzoeken.

“Voor dit platform echt nuttig te zijn voor kwantumcomputing, moet je in staat zijn om kwantumdata in het systeem te plaatsen en ze veel sneller eruit te halen. En dat betekent dat we manieren moeten vinden om de interactiesnelheid met een factor drie tot tien te verhogen ten opzichte van wat ons huidige systeem aankan,” zei Mirhosseini. “En het team heeft ideeën over hoe dat te bereiken.”

Quantumhardware en -software: Pad naar commercieel gebruik

Het nieuwe apparaat dat door Caltech-wetenschappers is gecreëerd, is al geruime tijd in ontwikkeling.

Een paar jaar geleden, in hun eerdere werk, liet het team zien dat geluid, vooral fononen, die individuele trillingsdeeltjes zijn, net zoals fotonen, een eenvoudige manier kunnen bieden om kwantuminformatie op te slaan.

Destijds toonde Mirhosseini’s groep de nieuwe methode in het laboratorium, waar ze fononen onderzochten vanwege het relatieve gemak om kleine apparaten te bouwen die deze mechanische golven kunnen opslaan.

Het team testte apparaten in experimenten die geschikt leken om te combineren met supergeleidende qubits, aangezien ze op dezelfde zeer hoge GHz-frequenties werken.

Menselijke oren horen in het hertz- tot kilohertzbereik (tot ~20 kHz), terwijl de apparaten op gigahertz (miljarden cycli per seconde) opereren — ongeveer 50 000× hoger in frequentie.

De geteste apparaten hadden ook lange levensduur en presteerden goed bij de lage temperaturen die nodig zijn om kwantumtoestanden met supergeleidende qubits te behouden.

Zoals Mirhosseini destijds opmerkte, hebben andere studies gekeken naar piezo-elektrische materialen, een speciaal type materiaal, als een manier om mechanische energie om te zetten in elektrische energie in kwantumtoepassingen. Hij voegde toe:

“Deze materialen veroorzaken echter energieverlies voor elektrische en geluidsgolven, en verlies is een grote doder in de kwantumwereld.”

De nieuwe techniek die door het Caltech-team is ontwikkeld, daarentegen, is niet afhankelijk van specifieke materiaaleigenschappen en is daardoor geschikt voor gevestigde op microgolven gebaseerde kwantumapparaten.

Het bouwen van effectieve opslagapparaten met een compacte omvang is nog een andere uitdaging voor degenen die kwantumtoepassingen verkennen.

Deze uitdaging wordt ook aangepakt door de nieuwe methode, die “de opslag van kwantuminformatie van elektrische schakelingen mogelijk maakt voor tijdsduren die twee orders van grootte langer zijn dan andere compacte mechanische apparaten,” zei hoofdonderzoeker Bozkurt, een promovendus in Mirhosseini’s groep.

Hoewel het geluidsgolfplatform van Caltech veelbelovend is, is het slechts een onderdeel van een veel grotere onderzoeksinspanning die wereldwijd bij verschillende instellingen plaatsvindt. Wetenschappers testen diverse methoden om de uitdagingen van kwantumcomputers te overwinnen.

Zo hebben onderzoekers van de University of Southern California gegaan naar wiskunde².

Ze gebruiken neglectons om enkele van de problemen met topologische qubits op te lossen. Deze klasse van theoretische deeltjes, die zo genoemd worden vanwege de manier waarop ze zijn afgeleid van over het hoofd geziene theoretische wiskunde, zou een nieuw pad kunnen openen naar het experimenteel realiseren van universele topologische kwantumcomputers.

“Mijn doel is om zo overtuigend mogelijk een case te maken voor andere onderzoekers dat het non-semisimple kader niet alleen geldig is, maar een opwindende benadering om de kwantumtheorie beter te begrijpen.”

– Co-auteur Aaron Lauda

Intussen, in een andere benadering, beheersen wetenschappers het licht dat door kwantumdots wordt uitgezonden, wat kan leiden tot goedkopere, snellere en natuurlijk praktischere kwantumtechnologieën.

Voor dit heeft de onderzoeks samenwerking vond een nieuwe methode³ die gebaseerd is op gestimuleerde twee-foton excitatie, waardoor kwantumdots fotonstromen kunnen uitzenden in verschillende polarisatiestaten zonder elektronische schakelhardware nodig te hebben. Bij testen konden de onderzoekers met succes uitstekende twee-foton toestanden produceren terwijl ze opmerkelijke enkel-foton eigenschappen behielden.

“Wat deze benadering bijzonder elegant maakt, is dat we de complexiteit hebben verplaatst van dure, verliesveroorzakende elektronische componenten na de enkel-foton emissie naar de optische excitatiefase, en het is een belangrijke stap vooruit in het praktischer maken van kwantumdotbronnen voor toepassingen in de echte wereld.”

– Hoofdonderzoeker, Vikas Remesh

Dan is er het team van The Grainger College of Engineering aan de University of Illinois Urbana-Champaign, dat een presenteerde een high-performance modulair ontwerp⁴ voor supergeleidende kwantumprocessoren met ~99% fideliteit. 

De modulaire architectuur, in tegenstelling tot de beperkende monolithische ontwerpen, biedt grotere schaalbaarheid, gemakkelijkere verbeteringen en veerkracht tegen inconsistenties.

Hoewel de meeste inspanningen duidelijk blijven focussen op het hardwaregedeelte van kwantumcomputers, is er nu een verschuiving naar software te zien, omdat men gelooft dat de technologie “op het punt om commercieel levensvatbaar te worden” is, en dus iets nuttigs nodig heeft om ermee te doen.

In dat verband heeft het quantumalgoritmebedrijf Phasecraft $34 miljoen opgehaald van verschillende investeerders, waaronder het investeringsbedrijf gekoppeld aan de Deense farmaceutische gigant Novo Nordisk (NVO ). 

Phasecraft’s algoritmen, haar CEO Ashley Montanaro, gelooft dat ze in staat zullen zijn om “wetenschappelijk belangrijke” berekeningen uit te voeren tegen “volgende lente,” en dat sommige commercieel bruikbare toepassingen beschikbaar kunnen zijn “binnen de komende paar jaar”.

Er is nu een groeiende interesse in algoritmen. Recentelijk beweerde een onderzoeker bij Google een 20-voudige reductie te hebben bedacht in de schaal van een kwantumcomputer die nodig is om Shor’s algoritme uit te voeren, dat kan gebruikt worden om de tegenwoordig meest gebruikte vormen van encryptie te kraken. 

Als reactie heeft ontwikkelaar Hunter Beast BIP 360 geïntroduceerd in een poging om Bitcoin (BTC) quantumcomputing-resistent te maken.

Intussen heeft het kwantumcomputingbedrijf Norma de prestaties van zijn quantum AI-algoritmen voor geneesmiddelenontwikkeling gevalideerd met behulp van NVIDIA CUDA-Q, waarbij ze reken-snelheden observeerden die ongeveer 73 keer sneller waren.

Investeren in kwantumcomputing

Veel grote namen doen onderzoek naar supergeleidende kwantumcomputing, waaronder IBM (IBM ), Intel (INTC ), en nog veel meer. Maar vandaag kijken we naar Honeywell International (HON ), dat sterk betrokken is bij kwantumcomputing via zijn meerderheidsbelang in Quantinuum.

Quantinuum, een Honeywell International (HON ) bedrijf

Quantinuum is een kwantumcomputingbedrijf dat in 2021 is gevormd door de fusie van Cambridge Quantum en Honeywell Quantum Solutions. Om de ontwikkeling van fouttolerante kwantumcomputers te versnellen, heeft het financiering veiliggesteld van investeerders zoals JPMorgan Chase.

Last year, it toonde the most reliable logical qubits on record. Quantinuum applied Microsoft’s breakthrough qubit-virtualization system, with error diagnostics and correction, to its ion-trap hardware to run more than 14,000 individual experiments without a single error. 

Last month, Quantinuum lanceerde two new open source software components, including Guppy, a language hosted inside Python, which has been described by its CEO, Rajeeb Hazra, as “a paradigm shift for developers,” and an emulator called Selene, which is a “digital twin” that mimics the quantum behavior for programmers to test and debug their code.

The new full-stack platform comes in preparation for the upcoming launch of Quantinuum’s next-gen quantum computer Helios.

So, the company is pursuing advances in both quantum hardware and software with its research and commercial activities targeting AI, cybersecurity, chemical simulation, and other applications.

Through Quantinuum, Honeywell has advanced trapped-ion quantum computers, which use electromagnetically trapped ions as qubits for high-fidelity computations, to customers in various sectors, including healthcare, finance, and utilities.

The integrated operating company is mainly involved in three megatrends, which are automation, aviation, and energy transition. Meanwhile, it serves through a few key segments:

• Ruimtevaarttechnologieën
• Industriële automatisering
• Gebouwautomatisering en energie
• Duurzaamheidsoplossingen

Met een marktkapitalisatie van $139,36 miljard, worden HON-aandelen op het moment van schrijven verhandeld tegen $218,40, een daling van 2,83% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 8,79 en een P/E (TTM) van 24,96. Het dividendrendement is ondertussen 2,06%.

Wat de financiën betreft, rapporteerde Honeywell een omzet van $10,4 miljard voor het tweede kwartaal van 2025. De winst per aandeel was $2,45, en de aangepaste EPS was $2,75.

In deze periode voltooide het bedrijf een verkoop van PPE-zaken ter waarde van $1,3 miljard, sloot de overname van Sundyne ter waarde van $2,2 miljard af, en kondigde een overname van £1,8 miljard aan van Johnson Matthey’s Catalyst Technologies Business. Het bedrijf kocht ook $1,7 miljard aan eigen aandelen terug.

CEO Vimal Kapur benadrukte het belang van het leveren van “uitstekende resultaten” met zowel organische groei als een aangepaste EPS die de verwachtingen overtrof, ondanks onvoorspelbare macro‑economische omstandigheden.

“Met Gebouwautomatisering als voortrekker, groeiden drie van de vier segmenten in de kwartaal met meer dan 5% in de omzet, wat de kracht van ons Accelerator‑operatiesysteem aantoont om zich snel aan te passen en groei te stimuleren zelfs wanneer de bedrijfsomstandigheden veranderen,” zei Kapur, terwijl hij opmerkte “veelbelovende resultaten van onze verhoogde focus op nieuwe productinnovatie, die de groei van onze record‑achterstand verder ondersteunde.”

Conclusie

Kwantumcomputing kan leiden tot aanzienlijke vooruitgang in AI, gezondheidszorg, materiaalkunde, cyberbeveiliging en andere sectoren. Maar de voortgang van deze technologie hangt niet alleen af van qubit-prestaties, maar ook van het vermogen om kwantuminformatie betrouwbaar op te slaan.

Het Caltech-platform biedt een plan om dat te bereiken. Door berekening en geheugen in één chip te integreren, brengt de nieuwe ontwikkeling het veld dichter bij toepassingen in de echte wereld.

Klik hier voor een lijst van de vijf beste kwantumcomputingbedrijven.

Referenties:

1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). Een mechanisch kwantumgeheugen voor microgolf-fotonen. Nature Physics, (advance online publication), gepubliceerd 13 augustus 2025. Ontvangen 10 januari 2025; geaccepteerd 17 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. 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. Ontvangen 13 oktober 2024; geaccepteerd 18 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passieve gedemultiplexte twee-foton toestand generatie van een kwantumdot. npj Quantum Information, 11, 139, gepubliceerd 11 augustus 2025. Ontvangen 10 april 2025; geaccepteerd 25 juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. Een hoogrendement elementair netwerk van uitwisselbare supergeleidende qubit-apparaten. Nature Electronics, 8, 610–619, gepubliceerd 27 juni 2025 (uitgave juli 2025). Ontvangen 8 september 2024; geaccepteerd 23 mei 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3