Er det mulig å koble kvantedatamaskiner i kjede? Forskere har et svar

Skalering av kvantedatabehandling

Kvantedatamaskiner forventes en dag å bli en kjerneteknologi for avanserte beregninger innen bioteknologi, materialvitenskap, finans, kryptografi og andre komplekse systemer som silisiumbaserte datamaskiner har vansker med å håndtere.

To forhold har imidlertid hindret kvantedatamaskiner i å bli mer utbredt.

Det første er at feilraten øker jo flere qubits systemet har, fordi enhver ustabilitet kan utløse en dominoeffekt.

Problemet kan snart tilhøre fortiden takket være Google (GOOGL ) og Willow-brikken, der feilraten synker når flere qubits legges til.

Det andre problemet er at det trolig finnes en grense for hvor stor én kvantedatamaskin kan bli, på samme måte som en silisiumbrikke bare kan bli så kraftig før strømforsyning, overoppheting og andre problemer oppstår.

Dette kan også være på vei til å bli løst av forskere ved Oxford University. De opprettet et distribuert kvantedatanettverk som ligner servere med silisiumbaserte brikker og kan bane vei for kvantesuperdatamaskiner.

Forskerne publiserte resultatene i det anerkjente tidsskriftet Nature under tittelen «Distribuert kvantedatabehandling over en optisk nettverkskobling»¹.

Kobling av kvantedatamaskiner

Dagens kvantedatamaskiner fungerer som isolerte enheter med noen hundre, eller i de mest avanserte tilfellene kanskje tusen, qubits.

Å gjøre dem større er svært komplisert. Jo større systemet blir, desto lettere kan ustabilitet og forstyrrelser fra omgivelsene ødelegge kvanteeffektene datamaskinen er avhengig av.

At the same time, useful computation will likely require millions of qubits, putting the industry into a potential dead end. At least, as long as quantum computers cannot be connected to each other.

Det er lettere sagt enn gjort fordi kvantedatamaskiner er svært forskjellige fra silisiumbrikker. I tradisjonelle datamaskiner er 0 og 1 elektriske signaler som relativt enkelt kan overføres til en annen maskin.

For kvantedatamaskiner er det selve kvantetilstanden til qubitene som må overføres. Disse tilstandene er vanskelige å holde stabile utenfor helt spesielle forhold, vanligvis ved ultralave temperaturer bare noen få grader over det absolutte nullpunktet.

Utnyttelse av kvante-teleportasjon

Tidligere kvante-teleportasjonseksperiment

I januar 2025 rapporterte vi de første tegnene på at kvanteteleportasjon i optisk fiber var mulig. Det så til og med ut til å kunne overføres i vanlige fibernett sammen med normale datastrømmer.

Selv om kvanteteleportasjon høres ut som et fantasifullt begrep fra en science fiction-film, er det et virkelig fenomen som har blitt studert i flere tiår.

Det skjer når to forskjellige partikler kobles sammen gjennom det som kalles kvantesammenfiltring.

Når to partikler er koblet sammen, kan de utveksle informasjon uansett avstanden uten at den transporteres fysisk. I enkelte tilfeller kan informasjonsutvekslingen kanskje skje raskere enn lyset, noe som teoretisk er umulig.

Dette var et viktig første skritt fordi det viste at vanlige kabler kan overføre kvanteteleportasjon mellom kvantedatamaskiner uten helt ny teknologi.

But it was not yet a direct connection between 2 quantum computers.

Kobling av qubits

Oxford-forskerne tok det neste skrittet. De brukte optiske fibre til å koble sammen qubits og sammenfiltre dem ved hjelp av fotoner, altså lyspartikler.

Kilde: Nature

I laboratorieforsøket sto modulene omtrent to meter fra hverandre, og hver inneholdt egne nettverks- og kretsqubits. Lengre avstander bør også være mulig.

«Ved å finjustere disse interaksjonene kan vi utføre logiske kvanteporter — de grunnleggende operasjonene i kvantedatabehandling — mellom qubits i separate kvantedatamaskiner.

Gjennombruddet gjør at vi i praksis kan koble ulike kvanteprosessorer sammen til én fullt sammenkoblet kvantedatamaskin.»

Dougal Main – Ph.d.-student ved ionfelle-kvantedatabehandlingsforskningsgruppen ved Oxford

Kilde: Nature

Forsøket brukte moduler med fangede ioner. Slike kvantedatamaskiner har vanligvis langt færre qubits, men betydelig høyere pålitelighet og effektivitet. Et tilsvarende antall qubits kan gi 100–1 000 ganger mer pålitelige resultater enn andre metoder.

Kilde: Quantinuum

Høy effektivitet

Sammenfiltringen mellom qubitene i nettverket oppnådde en fidelitet på 86%.

Ved kjøring av Grovers søkealgoritme, en nyttig referansetest der kvantedatamaskiner klart overgår vanlige datamaskiner, var suksessraten 71%.

Grovers søkealgoritme finner et bestemt element i et stort, ustrukturert datasett mye raskere enn en vanlig datamaskin ved å bruke superposisjon og sammenfiltring til å utforske mange muligheter parallelt.

Det er bemerkelsesverdig høyt, særlig fordi dette var den første prestasjonen noensinne og metoden ennå ikke var optimalisert eller forbedret.

Betydning av denne oppdagelsen

Kvant-superdatamaskiner?

Det åpner for en helt ny måte å bygge kvantedatamaskiner på, tilsvarende superdatamaskiner som består av separate delsystemer som utveksler beregninger med hverandre.

Et slikt system ville også være svært modulært i stedet for å kreve en stadig mer komplisert, massiv og sentralisert kvantedatamaskin.

Ved å koble modulene sammen med fotoniske forbindelser får systemet verdifull fleksibilitet, slik at moduler kan oppgraderes eller byttes uten å forstyrre hele arkitekturen.

Dougal Main – Ph.d.-student ved ionfelle-kvantedatabehandlingsforskningsgruppen ved Oxford

Kilde: Nature

Gjenoppblomstring av ionfelle-teknologi

Hittil har teknologi med fangede ioner vært den mest pålitelige og nærmest praktisk bruk, men den har vært begrenset av vanskeligheten med å legge til flere qubits. Derfor har systemer med superledende qubits vært ventet å bli kvantedatamaskinens endelige form.

Hvis teknologien med fangede ioner kan overvinne grensen gjennom bedre nettverk, trenger dette ikke lenger å være tilfelle. Selskaper som har spesialisert seg på feltet, ville da bli langt mer interessante for investorer.

Ionfelle-kvantedatabehandlingsselskap

IonQ

IonQ er et kvantedataselskap som bruker fangede ioner, grunnlagt av pionerer fra University of Maryland og Duke University. Selskapet ble børsnotert på NYSE i 2021.

IonQs plattformer kan levere resultater med 99,9% fidelitet. Selskapet bruker for tiden en kjede med 64 bariumioner som gir 36 algoritmiske qubits (AQ). Kjedestrukturen muliggjør langt raskere beregninger enn andre løsninger med fangede ioner uten å miste fidelitet.

Kilde: IonQ

IonQ kjøpte Qubitekk i januar 2025 og fikk dermed selskapets team og 118 patenter. Qubitekk er spesialisert på kvantenettverk og bruker fotoniske forbindelser for å muliggjøre kvanteklynger og utvikle kvanteinternett.

Kvantenettverk bør muliggjøre svært sikker kommunikasjon og til slutt distribuert kvantedatabehandling. Feltets raske utvikling betyr at ekspertise og immaterielle rettigheter kan bli avgjørende for IonQs fremtid.

IonQ utvikler også et samarbeid med NKT Photonics (NKT.CO) om fremtidige kvantedatamaskiner for datasentre.

Selskapet samarbeider også med Imec om fotoniske integrerte kretser og ionefeller i brikkestørrelse for å skalere antall qubits, systemstørrelse og kostnader.

I stedet for å utvikle sitt eget SDK støtter selskapet alle de store utviklingspakkene og samarbeider med mange ledende selskaper om nye kvanteapplikasjoner.

Kilde: IonQ

IonQ er det nærmeste investorer kommer en rendyrket kvantedataaksje dersom de ikke er interessert i hovedvirksomheten til andre ledere som Google, Intel (INTC ), IBM eller Honeywell.

Sammen med konkurrenten Quantinuum, som er en del av Honeywell (HON ), er IonQ derfor blant selskapene som er nærmest kommersielle kvantedatamaskiner, med fokus på høy fidelitet og systemer med færre qubits basert på fangede ioner.

Den tidlige suksessen har hjulpet IonQ med å bygge et sterkt nettverk av partnerskap med andre kvanteinnovatører og videreutvikle teknologien, senest med fornyet fokus på nettverkskoblede kvantedatamaskiner.

Studierreferanse:

^{1. Main, D., Drmota, P., Nadlinger, D.P., et al.(2025) Distribuert kvantedatabehandling over en optisk nettverkskobling. Nature 638, 383–388. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08404-x}