Bygge neste generasjon datamaskiner med kvanteutslippere og infrarøde lasere

Datamaskinens historie har røtter i tidligere mekaniske og programmerbare systemer. Joseph Marie Jacquards arbeid med hullkortstyrte vevstoler tidlig på 1800-tallet er et kjent eksempel. Hullkortene styrte mønstre; de var ikke moderne datamaskiner.

Charles Babbage utviklet konsepter for mekaniske regnemaskiner på 1800-tallet, men ikke en ferdig fungerende universell datamaskin. Alan Turings artikkel fra 1936 beskrev en abstrakt beregningsmodell som fikk grunnleggende betydning for informatikk.

Hewlett-Packard ble grunnlagt i 1939. Grace Hopper bidro til tidlige kompilatorer og påvirket utviklingen av COBOL, som kom i 1959; hun oppfant ikke COBOL i 1953 som verdens første programmeringsspråk. John Backus og IBM-teamet utviklet FORTRAN på 1950-tallet.

Utviklingen omfatter både maskinvare, programmeringsspråk og beregningsmodeller. Nye forskningsresultater må skilles fra ferdige produkter.

Her ser vi på forskning om kvanteemittere i silisium og infrarødt lys som kan påvirke molekylære magnetfelt.

Programmerbar fremstilling av kvanteemittere

Et team ledet av Lawrence Berkeley National Laboratory undersøkte hvordan de kunne bruke en femtosekundlaser til å danne og endre optisk aktive defekter i silisium med hydrogen involvert i prosessen. Det er kandidater til fremtidige kvantekomponenter, ikke et ferdig skalerbart nettverk av qubits.

For å forstå resultatet må vi skille mellom en optisk emitter, en mulig qubit og en fungerende kvantedatamaskin.

Qubits og skalering

Kvantedatamaskiner kan ha fordeler for bestemte problemer, men er ikke generelt en million ganger raskere enn superdatamaskiner. Antallet nødvendige qubits, eller kvantebiter, avhenger av oppgaven, arkitekturen og feilkorreksjonen. Milliarder av qubits er ikke et universelt krav.

Forskerne undersøkte optisk aktive sentre som kan være kandidater til kobling mellom spinn og fotoner. Det er et mulig grunnlag for fremtidige kvantenettverk, ikke en demonstrasjon av et fullført 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.”

Arbeidet handler om å kontrollere hvor og hvordan defektsentre dannes eller aktiveres i silisium.

Fargesentre og kandidater til spinn-foton-qubits

Med støtte fra det amerikanske energidepartementets Office of Science undersøkte studien hvordan laserbehandling og hydrogen påvirker optisk aktive defekter, kalt fargesentre. Slike sentre kan være kandidater for kvanteinformasjon ved telekommunikasjonsbølgelengder.

En qubit beskrives av en kvantetilstand som kan være en superposisjon av basistilstandene 0 og 1. Det er ikke bare en klassisk verdi et sted mellom dem. En spinn-foton-kobling kan gjøre det mulig å overføre kvanteinformasjon mellom et lokalt spinn og lys.

Forskerne brukte ultrakorte laserpulser. Ett femtosekund er 10⁻¹⁵ sekund. Dette beskriver en tidsenhet, ikke en garanti for at alle qubits eller prosesser virker i romtemperatur.

Optiske målinger identifiserte blant annet et Ci-senter i silisium. Strukturen og mulige spinnegenskaper gjør det til en kandidat for videre forskning. Stabilitet i materialet ved romtemperatur betyr ikke at en komplett qubit, optisk måling eller kvantedatamaskin allerede fungerer ved romtemperatur.

“Vi visste fra litteraturen at Ci kan dannes i silisium, men vi forventet ikke å lage denne kandidaten til en spinn-foton-qubit med vår metode.”

Laserbehandling kan påvirke hydrogenets mobilitet og aktivere eller passivere bestemte sentre. Effekten avhenger av behandlingsbetingelsene; den betyr ikke at enhver behandling etterlater hele gitteret uten påvirkning.

Teoretiske beregninger bidro til å tolke hvordan hydrogen kan endre Ci-senterets optiske egenskaper. Dette må skilles fra en demonstrasjon av pålitelig drift av mange sammenkoblede qubits.

Videre arbeid omfatter å undersøke spinn, samspill og integrasjon med andre komponenter. Fremstilling av et fargesenter alene er ikke nok.

“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

Integrasjon med bølgeledere og andre kvantekomponenter er et videre forskningsmål. Dette er ikke nødvendigvis ferdig gjennomført i den omtalte studien.

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. 

Et team ved TU Graz beregnet hvordan bestemte molekyler kan settes i vibrasjon av infrarøde lyspulser og dermed skape lokale magnetfelt. Studien var teoretisk; mulige kretser krever eksperimentell bekreftelse.

Valg av lys og vibrasjon kan i modellen påvirke feltets retning og styrke. Andreas Hauser beskrev muligheten for optiske brytere som en fremtidig anvendelse, ikke en fungerende kvantedatamaskinkrets.

Forslaget gjelder målrettet eksitasjon av molekylære vibrasjoner. Beregnede lokale effekter må verifiseres før de kan brukes teknologisk.

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.

Teamet brukte metallftalocyaniner som modellmolekyler. Beregningene forutsa lokalt varierende magnetfelt og endringer i magnetisk skjerming. Nanometer er en avstandsskala, ikke enheten for magnetfeltstyrke. Måling med kjernemagnetisk resonans ble foreslått som en mulig test.

Elektronstrukturberegninger ble brukt til å undersøke responsen på sirkulært polarisert infrarødt lys.

I modellen kan lyset eksitere to vibrasjoner med passende retning og fase slik at atomkjernene følger sirkulære baner. 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.” 

Resultatet var teoretisk. Forskerne planla videre arbeid for å undersøke om de foreslåtte effektene kan måles og kontrolleres.

Et egnet underlag er en utfordring: avsetning på en overflate kan endre molekylets egenskaper og respons på lys.

Samspillet mellom molekyl, lys og underlag må derfor undersøkes. En bekreftet endring i skjerming ville støtte modellen, men ikke alene bevise en komplett kvantekrets.

Klikk her for å lære om Heron & Condor, som var blant IBMs kvanteprosessorer omtalt i 2024.

Selskaper som fremmer feltet for kvanteberegning

Det finnes flere selskaper, som Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) og D-Wave. I 2024 kunngjorde IBM et samarbeid med AIST i Japan om utvikling av større systemer. De samarbeidet om et mål på 10.000 qubits innen slutten av tiåret. Et utviklingsmål er ikke en ferdig maskin eller et antall feilfrie logiske qubits.

#1. Google 

Google demonstrerte i 2019 et kvanteforsøk med en spesialisert prøvetakingsoppgave. Det var ikke bevis på at ingen klassisk superdatamaskin noen gang kunne løse oppgaven; klassiske algoritmer og sammenligninger utvikles også.

Omtalen av en 70-qubit-versjon av Sycamore gjelder bestemte forsøk og sammenligninger. Den viser ikke at alle oppgaver ble 241 millioner ganger raskere enn på den tidligere 53-qubit-versjonen, eller at flere qubits automatisk gir høyere robusthet.

Google kombinerer forskning på maskinvare og programvare. XPRIZE Quantum Applications ble lansert i 2024 som en treårig konkurranse med en premie på 5 millioner dollar for å utforske nyttige kvantealgoritmer.

De oppgitte aksjekursene, børsverdiene og nøkkeltallene er historiske øyeblikksbilder fra 2024, ikke dagens kurser. Alphabet rapporterte omsetning på omtrent 80,5 milliarder dollar i første kvartal 2024, opp 15% fra året før, og driftsmargin på 32%.

#2. Dell 

Dell har samarbeidet med IonQ om hybrid klassisk-kvanteberegning og kunngjort samarbeid med Aramco om blant annet kvanteteknologi, AI og kantdatabehandling. Anvendelser innen energi, materialer og modellering er mål for utforskning, ikke dokumenterte kvantefordeler i alle disse oppgavene.

Catherine Doyle, som ledet Dell Technologies (DELL ) i Irland da uttalelsen ble gitt, beskrev et mulig samspill mellom kvanteberegning og AI. Dette er en fremtidsvurdering, ikke en sikker tidsplan.

Dell-tallene for aksjekurs, børsverdi og avkastning er historiske. Omsetning på omtrent 22,2 milliarder dollar og nettoresultat på 60 millioner dollar gjaldt første kvartal i regnskapsåret 2025, som ble avsluttet i mai 2024, ikke første kalenderkvartal 2024.

Konklusjon

Kvanteberegning er et aktivt forskningsfelt med mulige fordeler for bestemte oppgaver. Høyere hastighet, sikkerhet eller effektivitet følger ikke automatisk av teknologien. Nytten avhenger av maskinvare, algoritmer, feilkorreksjon og dokumenterte sammenligninger med klassiske metoder.

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