Bygge neste generasjon datamaskiner med kvanteutslippere og infrarøde lasere

Datamaskinens historie er sammenvevd med moderne teknologis historie. Alt begynte på 1800-tallet, da, i 1801, en fransk handelsmann og oppfinner, Marie Jacquard, oppfant en vevstol med hullkort i tre for automatisk å veve stoffmønstre.

Imidlertid kom den mest betydningsfulle fremgangen innen automatisert beregning den samme århundret da den engelske matematikeren Charles Babbage utviklet en dampdrevet kalkulasjonsmaskin som kunne beregne talltabeller. Den mest banebrytende oppfinnelsen på 1900-tallet kom i 1936 fra Alan Turing, en britisk vitenskapsmann og matematiker, som introduserte en universell maskin, senere kalt Turing‑maskinen. Forskere hevder at konseptet moderne datamaskiner i grunn er basert på Alan Turings idéer.

Siden da har det vært en kjede av fremgang. I 1939 grunnla David Packard og Bill Hewlett Hewlett Packard Company, og i 1953 utviklet Grace Hopper det første dataprogramspråket, COBOL, etterfulgt av John Backus og hans team av programmerere hos IBM som publiserte en artikkel som beskrev deres nyopprettede programmeringsspråk FORTRAN.

Strømmen av oppfinnelser som beriker datateknologi gjennom årene har fokusert på flere aspekter. Noen ganger har det vært utviklingen av et banebrytende språk eller programvare, og andre ganger kritisk maskinvare. Slike oppfinnelser fortsetter å skje, og hjelper til med å bygge neste generasjon datamaskiner, noe som virkelig er ‘futuristisk’ i den mest ekte betydning av ordet.

I de følgende segmentene vil vi se på to slike oppfinnelser som involverer kvanteutslippere og infrarøde lasere. 

Bevege seg mot et stort gjennombrudd: En skalerbar kvantedatamaskin

Prestasjonen kommer fra et team av forskere ledet av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Forskerne hevder at de har lykkes i sitt forsøk på å bruke et femtosekundlag for å skape og ‘annihilere’ qubits ved å doppe silisium med hydrogen. Forskerne understreket at de kunne utføre denne øvelsen på forespørsel og med presisjon. 

Men for å kunne forstå forskningsbetydningen fullt ut, må vi vite hva qubits er og hvorfor de er viktige!

Behovet for å koble sammen milliarder av qubits

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

Forskningen har nå vist en måte å styrke kvantedatamaskiner på ved å bruke programmerbare optiske qubits eller ‘spin-foton qubits’ som kan koble kvantenoder over et fjernnettverk. 

Mens hun forklarte betydningen av forskningen og resultatene den oppnådde, kom Kaushalya Jhuria, en postdoktoral forsker i Berkeley Labs Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Divisjon, med følgende bemerkning:

“For å lage en skalerbar kvantearkitektur eller -nettverk, trenger vi qubits som pålitelig kan dannes på forespørsel, på ønskede steder, slik at vi vet hvor qubiten er lokalisert i et materiale. Og det er derfor vår tilnærming er kritisk. For når vi vet hvor en spesifikk qubit sitter, kan vi bestemme hvordan vi skal koble denne qubiten med andre komponenter i systemet og lage et kvantenettverk.”

Men hvordan oppnår forskningen dette målet? Den gjør det ved å danne qubits i silisium med programmerbar kontroll. 

Historien om silisiums ‘fargecentre’ og ‘spin-foton qubits’

Med støtte fra DOE’s Office of Science, studien brukte et gassmiljø for å skape programmerbare defekter kjent som “fargecentre” i silisium. Disse fargecentrene er kandidater for “spin photon qubits” eller spesielle telekommunikasjonsqubits.

Kvant- eller qubit-bit er den grunnleggende enheten for kvanteinformasjon. Denne minste komponenten i et kvanteinformasjonsystem koder data i 1, 0 eller alt mellom dem, kjent som superposisjon. Spin-foton qubits, derimot, emitterer fotoner med evnen til å bære informasjon kodet i elektronspinn over store avstander.

Now, to form these special qubits that can help support a secure quantum network precisely, the study utilized an ultrafast laser capable of emitting energy pulses in mere femtoseconds—each pulse as brief as a quadrillionth of a second, targeted to an area no larger than a dust particle.

Ved å undersøke de optiske (fotoluminescens) signalene fra de resulterende fargecentrene med en nær‑infrarød detektor for å karakterisere dem, fant teamet et Ci‑senter, som er en kvanteemitter. Ci‑senteret har en enkel struktur og lovende spin‑egenskaper samtidig som det er stabilt ved romtemperatur, noe som gjør det til en ganske imponerende kandidat for spin‑photon qubit som emitterer fotoner i telekom‑ eller frekvensbåndet. Ifølge Jhuria:

“Vi visste fra litteraturen at Ci kan dannes i silisium, men vi forventet ikke å faktisk lage denne nye spin photon qubit‑kandidaten med vår tilnærming.” 

Interessant nok kan økt intensitet av femtosekundlaser under bearbeiding av silisium i nærvær av hydrogen også øke hydrogenets mobilitet. Dette passiverer uønskede fargecentre mens silisiumgitteret forblir uskadd.

En teoretisk analyse bekreftet også eksperimentelle observasjoner at lysstyrken til Ci‑fargecentret kan økes betydelig i nærvær av hydrogen. Som Jhuria forklarte, kan laserpulser ikke bare skyte ut, men også bringe hydrogenatomene tilbake, “som tillater programmerbar dannelse av ønskede optiske qubits på presise steder.” 

Å pålitelig lage fargecentre er bare begynnelsen; nå ønsker teamet å få forskjellige qubits til å kommunisere med hverandre og se hvilke som presterer best. 

“Evnen til å danne qubits på programmerbare steder i et materiale som silisium, som er tilgjengelig i stor skala, er et spennende steg mot praktisk kvantenettverk og -beregning.”

– Cameron Geddes, direktør for ATAP-divisjonen

Teknikken vil neste gang bli brukt til å integrere optiske qubits i kvanteenheter som bølgeledere, samt finne nye spin photon qubit‑kandidater med egenskaper optimalisert for utvalgte anvendelser.

Nye tilnærminger for å oppnå kvanteberegning: Arbeide med molekyler

Feltet for kvanteberegning har fått betydelig oppmerksomhet gjennom årene, med forskere som kontinuerlig jobber med å finne nye teknikker for å realisere det. Manipulering av organiske molekyler er et område som studeres for sin potensielle anvendelse i kvanteberegning. 

Teamet ved TU Graz undersøkte hvordan man kan stimulere kompetente molekyler ved hjelp av infrarøde lysimpulser for å skape små magnetfelt. Hvis denne teknikken videreutvikles vellykket i eksperimenter, kan den til og med brukes i kvantedatamaskinkretser.

Dette er fordi selektiv manipulering av infrarødt lys faktisk gjør det mulig å kontrollere retning og styrke på magnetfeltet. Å gjøre dette gjør molekyler til høypresisjons optiske brytere, som deretter kan brukes til å bygge kretser for en kvantedatamaskin, ifølge Andreas Hauser fra Institute of Experimental Physics ved TU Graz.

Mens interaksjoner mellom molekylære vibrasjoner og spinnmagnetisme er godt dokumentert i mikrobølgespektroskopi, foreslår denne studien metoder for aktivt å excitere molekylære vibrasjoner som genererer et magnetfelt på målrettede steder.

Stimulering av molekyler med infrarøde lasere for å danne magnetfelt

Når de bestråles med infrarødt lys, begynner molekylene å vibrere på grunn av energitilførselen. Ved å utnytte dette fenomenet som utgangspunkt begynte fysikere å undersøke om disse vibrasjonene faktisk kunne brukes til å generere magnetfelt.

For deres beregning brukte Hauser, sammen med sitt team, metallftalocyaniner som eksempel. Teamet fant at på grunn av den høye symmetrien til disse ringformede, aromatiske, plane fargestoffmolekylene, genererer de små magnetfelt i nanometerområdet (< 1 nm) når de eksponeres for infrarøde pulser. Basert på dette bør måling av styrken til det lave, men presist lokaliserte feltet via nukleær magnetisk resonansspektroskopi være oppnåelig.

I tillegg til å trekke på arbeidet fra laser‑spektroskopiens tidlige dager, brukte teamet også moderne elektronstrukturteori på superdatamaskiner for å beregne hvordan makrocykliske ftalocyaninmolekyler oppfører seg når de eksponeres for lys via sirkulært polarisert infrarødt lys. 

Teamet fant at sirkulært polariserte lysbølger eksiterer to molekylære vibrasjoner samtidig i rett vinkel på hverandre. Ved å sammenligne dette med rumba‑teknikken, forklarte Hauser:

“Den rette kombinasjonen av fremover‑bakover og venstre‑høyre skaper en liten, lukket løkke. Og denne sirkulære bevegelsen av hver påvirket atomkjerne skaper faktisk et magnetfelt, men kun svært lokalt, med dimensjoner i området noen få nanometer.” 

Dette er alt bare teoretisk, likevel. Teamet vil nå arbeide med å bevise at molekylære magnetfelt kan genereres på en kontrollert måte eksperimentelt slik at de faktisk kan utnyttes. 

For eksperimentet trenger de imidlertid å identifisere et substrat som interagerer minimalt med de målrettede prosessene siden kommende anvendelser krever posisjonering av ftalocyaninmolekylet på en overflate. Å gjøre dette endrer imidlertid de fysiske forholdene, noe som påvirker eksitasjonen fremkalt av lys og magnetfeltets egenskaper.

Så, før det virkelig kan testes i eksperimenter, må teamet først beregne samspillet mellom de avsatte ftalocyaninene, det infrarøde lyset og støttematerialet. Hvis eksperimentet bekrefter de forutsagte endringene i magnetisk skjermingskonstanter, kan studien, ifølge dem, sees på som den første målingen av et magnetfelt skapt vibrasjonelt, med intramolekylær oppløsning.

Klikk her for å lære om Heron & Condor, de siste fremskrittene innen kvanteberegning.

Selskaper som fremmer feltet for kvanteberegning

Det finnes flere selskaper, som Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) og D‑Wave, som arbeider med å fremme kvanteberegning. IBM er et fremtredende navn som har fokusert på kvanteberegning i mange år nå. Nylig har de partnered med Japans National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) for å hjelpe dem med å produsere en kvantedatamaskin med 10 000 qubits før dette tiåret er over. Så, midt i all denne utviklingen, la oss ta en dypere titt på noen andre viktige navn i sektoren:

#1. Google 

Tekjgiganten har lagt mye innsats i å bygge kvantedatamaskiner i mange år. Tilbake i 2019 demonstrerte Google for første gang at kvantedatamaskiner kunne kjøre en algoritme som ville vært umulig for en konvensjonell superdatamaskin å takle.

I fjor ble Googles Sycamore kvanteprosessor presentert med 70 qubits, et sprang fra den forrige versjonens 53 qubits. Dette gjør den omtrent 241 millioner ganger raskere og mer robust enn den forrige modellen. Googles nye kvantedatamaskin simulerer derimot oppførselen til magneter i detalj og kan hjelpe oss med å få en dypere forståelse av magnetisme.

Når det gjelder kvanteberegning, bruker Google en full stack‑tilnærming, som omfatter sømløs integrasjon av maskinvare‑ og programvarekomponenter. Selskapet driver for tiden en 3‑årig, $5M global konkurranse kalt XPRIZE Quantum Applications for å fremme feltet for kvantealgoritmer.

Med en markedsverdi på 2,2 billioner dollar, handles Googles aksjer til $177,08, opp 26,88 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 6,52, en P/E (TTM) på 27,18, og en utbytteavkastning på 0,45 %. For Q1 2024 rapporterte selskapet en omsetning på 80,5 milliarder dollar, opp 15 % år‑over‑år, mens driftsmarginen økte til 32 %.

#2. Dell 

Dette teknologiselskapet har også begynt å ta konkrete skritt innen kvanteberegning. Nylig introduserte Dell en hybrid klassisk/kvanteplattform utviklet med IonQ. De kunngjorde også et samarbeid med Aramco for å utforske fremskritt innen kvanteberegning, AI og edge computing. Sammen har Aramco og Dell som mål å takle komplekse utfordringer innen energioptimalisering, værmodellering, materialvitenskap og prediktivt vedlikehold gjennom kvanteberegning. 

Ifølge Dell Technologies (DELL ) Ireland MD Catherine Doyle vil kvanteberegning også bidra til AI‑fremskritt ettersom den “blir sammenvevd i nær fremtid”.

Med en markedsverdi på 100,74 milliarder dollar, handles Dell‑aksjer for tiden til $144,50, opp 85,66 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 4,36, en P/E (TTM) på 32,55, og en utbytteavkastning på 1,25 %. For Q1 2024 rapporterte selskapet 22,2 milliarder dollar i omsetning og 60 millioner dollar i nettoresultat.

Konklusjon

Kvanteberegning har vært et voksende interesseområde for forskere, organisasjoner og myndigheter. På grunn av dens evne til å tilby høy hastighet, forbedret sikkerhet, større effektivitet, nøyaktig simulering og forbedret analyse, gir det mening at det har vært økt fokus sammen med fortsatt forskning og investering, noe som kan endelig se kvanteberegning bli en realitet og finne sin anvendelse på tvers av sektorer.

Klikk her for å lære om den nåværende tilstanden til kvanteberegning.