Caltech skalerer nøytrale atomkubitter til 6 100 med tweezere

Det har gått omtrent fire tiår siden optiske tweezere ble utviklet, og de fortsetter å revolusjonere fysikk, biologi og medisin den dag i dag.

Optiske tweezere er et bemerkelsesverdig verktøy som kan plukke opp og flytte mikroskopiske objekter, som celler, atomer, molekyler og dråper, uten å berøre dem. 

Disse verktøyene bruker fokuserte lasere for å manipulere objekter. Ved å bruke en svært fokusert lysstråle, er de i stand til å holde mikroskopiske og submikroskopiske partikler stabile i tre dimensjoner.

Strålen fokuseres av et høykvalitets mikroskop til et punkt, og skaper en ‘optisk felle’ som holder en partikkel. Denne partikkelen opplever krefter bestående av spredningslys og gradientkrefter på grunn av dens interaksjon med lyset.

Utviklet av den amerikanske fysikeren Arthur Ashkin i 1986, som mottok Nobelprisen i fysikk for dette i 2018, gjør optiske tweezere det mulig for forskere å studere enkeltbakterier, en sædcelle, DNA-strenger, interaksjonen mellom enkeltpartikler og lys, og mye mer.

I dag danner disse vitenskapelige instrumentene grunnlaget for mange ledende eksperimenter innen simulering og kvanteberegning. 

For eksempel har forskere fra Institutt for eksperimentell fysikk og Institutt for kvanteoptikk og kvanteinformasjon (IQOQI) nylig fanget enkelt erbiumatomer¹ i optiske tweezere-arrays for første gang, og utvidet bruken av disse verktøyene fra enkle systemer til mer komplekse kvanteeksperimenter.

Denne typen eksperimenter, som fanger titalls til hundrevis av atomkubitter, har nylig oppnådd arrays med omtrent tusen atomer.

Å skalere dette til tusenvis av atomkubitter med lavt tap, lange koherenstider og høy‑nøyaktighetsavbildning, som er kritisk for fremgang innen kvantefeilkorrigering, har imidlertid vært en stor utfordring.
Sveip for å rulle →

Imidlertid har dette nå blitt eksperimentelt demonstrert av Caltech-forskere. De har med suksess fanget 6 100 nøytrale atomer i omtrent 12 000 steder ved hjelp av en array av optiske tweezere. Samtidig overgikk de «state‑of‑the‑art‑ytelsen for flere metrikker som ligger til grunn for plattformens suksess», bemerket teamet.

Forskerne demonstrerte en koherenstid på 12,6(1) sekunder, som er en rekord for hyperfine‑kubitter i en optisk tweezere‑array. I omtrent 23 minutter oppnådde de en rekordhøy bildeoverlevelse på 99,98952(1)% med en bildefidelitet på over 99,99%.

Ifølge teamet antyder disse resultatene at universell kvanteberegning snart kan bli en realitet. 

Hvorfor feilkorrigering dominerer kvanteberegningens veikart

Kvanteberegning har fanget interessen til forskere og selskaper over hele verden. 

Ifølge analytikere hos BofA forventes kvanteberegningsmarkedet å nå en verdivurdering på omtrent 4 milliarder dollar innen begynnelsen av neste tiår. 

«Løftet om kvanteberegning er ekte», sa analytikerne i en notat til klienter, og la til at det fortsatt er flere hindringer for teknologiens vekst, og når disse er overvunnet, «forventer vi en mye mer betydningsfull innvirkning på inntektene».

Talsmenn for kvanteberegning fremhever potensialet til å transformere finans, helsevesen, logistikk, cybersikkerhet, materialvitenskap og kunstig intelligens. 

Bare denne uken kunngjorde HSBC Holdings at de har oppnådd et verdensførste gjennombrudd i bruk av kvanteberegning i finansmarkedene. Den London‑baserte banken brukte IBMs Heron‑kvanteprosessor i obligasjonshandel, noe som ga en 34 % forbedring i å forutsi sannsynligheten for at en obligasjon handles til en bestemt pris. 

Kvantprosessering ble anvendt på et anonymisert sett av europeiske obligasjonshandelsdata, hvor det viste evnen til å betydelig forbedre markedets effektivitet.

Praktiske anvendelser av kvanteteknologi i andre sektorer er ennå ikke solid etablert, med kritikere som hevder at ikke bare er kvantedatamaskinrevolusjonen langt unna, men også begrenset.

For eksempel, sent i fjor, lanserte Google en ny chip kalt Willow som de sa markerer et stort gjennombrudd innen kvanteberegning, men bemerket at benchmarken som brukes for å måle ytelsen har «ingen kjente virkelige anvendelser».²

Likevel anslår McKinsey at verdien av kvanteteknologimarkedet kan vokse til så høyt som 100 milliarder dollar innen et tiår.

Disse tallene er basert på forventningen om at visse problemer ikke kan løses av klassiske datamaskiner, men lett kan håndteres av kvantedatamaskiner, noe som hjelper oss å forstå og manipulere andre kvantesystemer. 

Imidlertid står kvanteberegning for tiden overfor betydelige utfordringer knyttet til decoherens, som gjør kubitter skjøre og utsatt for feil. Dette gjør på sin side den kostbare feil­toleransen kritisk for pålitelig kvanteberegning.

Qubitter eller kvantebiter er tilsvarende biter i klassiske datamaskiner. Men mens klassiske biter alltid er enten én eller null, kan kvantebiter være begge samtidig til deres tilstand blir målt, og tilstandene til flere kubitter kan også bli sammenfiltrede. 

Disse to fenomenene, superposisjon (evnen til en kubitt til å eksistere i flere tilstander samtidig) og sammenfiltring (evnen til kubitter til å være koblet og dele samme tilstand uavhengig av avstand), gir kvantedatamaskiner evner som klassiske datamaskiner ikke har.

Begge disse er imidlertid svært skjøre tilstander som lett kan ødelegges av den minste interaksjon med miljøet.

Fra elektromagnetisk interferens til temperaturendringer kan miljøfaktorer kollapsere disse egenskapene, noe som fører til unøyaktige resultater. Så er denne skjørheten en av de største hindringene for skalerbar og kraftig kvanteberegning, og dermed er mye forskning på feltet fokusert på kvantefeilkorrigering (QEC).

En av måtene forskere kompenserer for kubittenes skjørhet og korrigerer feil på, er ved å bygge kvantedatamaskiner med ekstra, redundante kubitter. Dette betyr at en robust kvantedatamaskin vil ha hundretusener av kubitter.

Caltechs rekordbrytende nøytrale atom‑array balanserer kvantitet og kvalitet

Arbeider mot å bygge en kvantedatamaskin med mange kubitter for å korrigere eventuelle feil, har et team av forskere ved Caltech satt en rekord ved å lage den største kubitt‑arrayen som er blitt samlet.

Totalt 6 100 nøytrale atomkubitter har blitt innelukket i et rutenett ved hjelp av lasere. Tidligere inneholdt denne typen array kun hundrevis av kubitter.

Publisert i Nature, studien med tittelen “Et tweezere‑array med 6100 høyt koherente atomkubitter³” beskriver milepælen, som benyttet nøytrale atomer. 

Nøytrale atomer er atomer uten netto elektrisk ladning. Så er antallet protoner det samme som antallet elektroner. 

Ved å utnytte deres interne energinivåer kan forskere bruke nøytrale atomer som kubitter. Energinnivåene kan kontrolleres og manipuleres ved hjelp av lasere og magnetfelt for å utføre spesifikke operasjoner.

Siden de er nøytrale, interagerer atomene ikke sterkt med hverandre, noe som gjør det mulig å fange store arrays av atomer og muliggjør bygging av storskala kvanteprosessorer. Dessuten viser nøytrale atomer lange koherenstider, en annen faktor som gjør dem fordelaktige for kvanteberegning.

Men, selvfølgelig, er det utfordringer når det gjelder behovet for presis kontroll over fangst, kjøling og manipulering.

«Dette er et spennende øyeblikk for nøytral‑atom‑kvanteberegning. Vi kan nå se en vei mot store feilkorigerte kvantedatamaskiner. Byggesteinene er på plass.»

– Hovedforsker i studien, Manuel Endres & en professor i fysikk ved Caltech

Ledet av Caltech‑masterstudenter Hannah Manetsch, Gyohei Nomura og Elie Bataille, brukte studien optiske tweezere for å fange tusenvis av individuelle cesium‑atomer (Cs) i et rutenett. 

For å bygge atom‑arrayet delte de en laserstråle i 12 000 tweezere, som holdt totalt 6 100 atomer i et vakuumkammer. «På skjermen kan vi faktisk se hver kubitt som et punkt av lys», sa Manetsch. «Det er et slående bilde av kvante‑maskinvare i stor skala.»

Selv om teamet klarte å sette en ny rekord i skala, kom ikke denne mengden på bekostning av kvalitet, da de også oppnådde lange koherenstider.

Teamet klarte å holde disse kubittene i superposisjon i omtrent 13 sekunder, noe som er omtrent ti ganger lengre enn hva lignende arrays tidligere har oppnådd. Dessuten kunne de manipulere individuelle kubitter med en nøyaktighet så høy som 99,98 %.

Ifølge Nomura:

«Storskalering, med flere atomer, antas ofte å gå på bekostning av nøyaktighet, men resultatene våre viser at vi kan gjøre begge deler. Kubitter er ikke nyttige uten kvalitet. Nå har vi både kvantitet og kvalitet.»

Videre viste teamet at de kan flytte atomene hundrevis av mikrometer (μm) over arrayet mens de fortsatt opprettholder superposisjon. Tenk på det som å balansere et glass vann mens du løper.

«Å prøve å holde et atom mens du beveger det er som å prøve å ikke la glasset med vann tippe over. Å også prøve å holde atomet i en superposisjonstilstand er som å være forsiktig så du ikke løper så fort at vannet spruter over.»

– Manetsch

Denne evnen er en nøkkelfunksjon i nøytrale‑atom‑kvantedatamaskiner, da den muliggjør mer effektiv feilkorrigering sammenlignet med superledende kubitter.

Forskningen viser at nøytrale atomer er en sterk kandidat for å hjelpe oss med å implementere kvantefeilkorrigering i skalaen av tusenvis av fysiske kubitter, som er den neste store prestasjonen for feltet.

«Kvantedatamaskiner må kode informasjon på en måte som tolererer feil, slik at vi faktisk kan utføre verdifulle beregninger. I motsetning til klassiske datamaskiner kan ikke kubitter enkelt kopieres på grunn av den såkalte ingen‑kopiering‑teoremet, så feilkorrigering må baseres på mer subtile strategier.»

– Bataille

Med den oppnådde superposisjonstilstanden, som spiller en avgjørende rolle i informasjonsbehandling og lagring, vil teamet nå arbeide med sammenfiltring, hvor de vil koble kubittene i arrayet, slik at partikler kan oppføre seg som én. 

Ved å oppnå tilstanden av sammenfiltring vil kvantedatamaskiner kunne utføre fullstendige kvanteberegninger og simuleringer. Ved å utnytte sammenfiltring vil forskere også kunne gjøre nye vitenskapelige oppdagelser.

«Det er spennende at vi skaper maskiner som hjelper oss å lære om universet på måter som kun kvantemekanikken kan lære oss.»

– Manetsch

Nye feilundertrykkende arkitekturer og hyper‑sammenfiltringsresultater

Endres og hans team har arbeidet med kvanteberegning i lang tid nå. Han spesialiserer seg på å kontrollere enkeltatomer ved hjelp av optiske tweezere for å studere grunnleggende egenskaper ved kvantesystemer.

I tillegg til det rekordbrytende kvantesystemet som kontrollerer over 6 000 individuelle atomer, har hans teams eksperimenter ført til nye teknikker for å slette feil i kvante‑maskiner og en ny enhet som kan levere verdens mest presise klokker.

I mai i år, de publiserte en studie⁴ som tar for seg problemet med atomers vibrerende bevegelse, som gjør det vanskelig å kontrollere systemet. Det de har gjort er at de har brukt selve problemet til å kode kvanteinformasjon.

«Vi viser at atombevegelse, som vanligvis behandles som en kilde til uønsket støy i kvantesystemer, kan omdannes til en styrke.»

Studiets med‑første forfatter, Adam Shaw

Eksperimentet deres kodet kvanteinformasjon i atomenes bevegelse og førte til en tilstand av hyper‑sammenfiltring.

Dette betyr at de individuelle elektroniske tilstandene og bevegelsestilstandene til de hyper‑sammenfiltrede atomparene var korrelert. Demonstrasjonen deres, den første hyper‑sammenfiltringen i massive partikler som nøytrale atomer eller ioner, antyder videre at enda flere egenskaper kan sammenfiltre samtidig.

«Dette lar oss kode mer kvanteinformasjon per atom», sa Endres. «Du får mer sammenfiltring med færre ressurser.»

For eksperimentene deres avkjølte de et array av individuelle alkalijord‑nøytrale atomer fanget i optiske tweezere, og demonstrerte en ny form for kjøling via «deteksjon og påfølgende aktiv korreksjon av termiske bevegelses‑eksitasjoner».

Teamet måler i hovedsak bevegelsen til hvert atom og deretter, avhengig av resultatet, utfører en operasjon atom‑for‑atom.

Teknikken fikk atomene til å nesten bli helt stillestående. Atomene ble deretter indusert til å oscillerer med en amplitude på 100 nanometer, noe som eksiterte dem til to distinkte oscillasjoner samtidig, og førte til at bevegelsen var i superposisjonstilstanden.

De individuelle atomene ble deretter sammenfiltrede med partner‑atomer, som videre ble hyper‑sammenfiltrede for å korrelere atomenes bevegelse og elektroniske tilstander.

«I hovedsak var målet her å presse grensene for hvor mye vi kunne kontrollere disse atomene. Vi bygger i hovedsak en verktøykasse: Vi visste hvordan vi skulle kontrollere elektronene innenfor et atom, og nå har vi lært å kontrollere den eksterne bevegelsen av atomet som helhet. Det er som et atom‑leketøy du har fullstendig mestret.»

– Endres

I en annen studie fra Caltech, et team av forskere basert ved Caltech Center for Quantum Computing på universitetets campus demonstrerte en ny kvante‑chip‑arkitektur⁵ designet for å undertrykke feil. 

«For at kvantedatamaskiner skal lykkes, trenger vi feilrater som er omtrent en milliard ganger bedre enn de er i dag», sa Oskar Painter, leder for kvante‑hardware hos AWS og professor i fysikk ved Caltech. Mens feilratene går ned, skjer det i et langsomt tempo, «omtrent en faktor to hvert andre år», så for å akselerere denne prosessen utvikler de en ny chip‑arkitektur, selv om den er «et tidlig byggekloss».

Forskerne bruker katte‑kubitter, som har betydelig reduserte bit‑flip‑feil, med fase‑flip‑feil som de eneste som gjenstår å korrigere. Dette betyr at forskerne kan bruke en repetisjonskode. I deres nye chip, kalt Ocelot, betyr en klassisk repetisjonskode at man ikke trenger så mange kubitter for å korrigere feil.

«Vi har demonstrert en mer skalerbar arkitektur som kan redusere antallet ekstra kubitter som trengs for feilkorrigering med opptil 90 prosent.»

– Fernando Brandão, professor i teoretisk fysikk ved Caltech og direktør for anvendt vitenskap hos AWS

For å oppnå dette kombinerer Ocelot‑chipen fem katte‑kubitter, spesielle buffer‑kretser for å stabilisere deres oscillasjon, og fire støttende kubitter for å oppdage fasefeil. Repetisjonskoden har vist seg effektiv for å fange fase‑flip‑feil, og forbedres etter hvert som koden øker fra tre til fem katte‑kubitter.

Investere i kvanteteknologi

Nå er en av de reneste aktørene innen kvanteberegning på markedet IonQ (IONQ ), som bruker den fangede‑ion‑tilnærmingen for å gjøre teknologien til virkelighet. Det som virkelig får den til å skille seg ut er de høy‑nøyaktighets‑gate‑ene, integrasjonen med store skyplattformer, aggressive oppkjøp og sterk patentrettvekst, selv om skaleringskostnader utgjør en stor utfordring.

IonQ (IONQ )

Grunnlagt for et tiår siden basert på flere års forskning ved University of Maryland og Duke University, utvikler IonQ fangede‑ion‑kvantedatamaskiner. Målet med selskapet er å bringe denne teknologien inn i kommersielle, industrielle og akademiske anvendelser. 

For dette er selskapet fokusert på ioniserte atomer, som de tror kan gjøre deres datamaskiner i stand til å utføre mer sofistikerte beregninger over lengre tid og med færre feil.

Bare denne måneden, IonQ påstod å ha oppnådd over 99,9 % to‑kubitt‑gate‑fidelitet på sine barium‑utviklingsplattformer, og bringer dem nærmere deres kommersielle system, IonQ Tempo.

Denne milepælen «markerer en kritisk terskel for bedrifts‑klassifiserte systemer», sa IonQs SVP for engineering og teknologi, Dean Kassmann, og bemerket at «jo bedre den native gate‑fideliteten er, desto mindre feilkorrigering i alle former er nødvendig. Høyere fidelitet er også essensiell for raskere, mer nøyaktige kvante‑applikasjoner».

Bruken av barium‑ioner som kubitter er et skifte fra ytterbium‑ioner som selskapet har jobbet med i mesteparten av sin historie. Barium‑ioner har blitt valgt for deres økte gate‑hastigheter, høyere native fidelitetsgrense, bedre stabilitet, lavere feil ved tilstand‑forberedelse/måling (SPAM), og overlegen samlet ytelse.

IonQ har også en robust portefølje av patenter som nå har oversteget 1 000, noe de sier posisjonerer selskapet til å utvikle skalerbare, høy‑ytelses, kostnadseffektive systemer, og akselererer deres tidslinje for enestående kommersiell kvantefordel.

Per 29. september 2025, IONQ avsluttet på $64,26 (rekordhøy $75,14 23. september 2025). Det er omtrent 7,4 ganger over $8,74 lukkekursen 30. september 2024. År‑til‑dato‑ytelsen varierer etter kilde, men ligger grovt sett på ~+50–90 %. Markedsverdien er omtrent $20–22 milliarder.

Selskapet har en EPS (TTM) på -2,02 og en P/E (TTM) på -33,35.

Når det gjelder økonomien, rapporterte IonQ $20,7 millioner i inntekter for andre kvartal som endte 30. juni 2025. Netto tap var $177,5 millioner. Kontanter, kontantekvivalenter og investeringer ved periodens slutt var $656,8 millioner.

I løpet av dette kvartalet styrket selskapet balansen sin gjennom den største egenkapitalinvesteringen fra en enkelt institusjon i bransjen. IonQ fullførte også oppkjøpet av kvante‑interconnect‑selskapet Lightsynq og romteknologiselskapet Capella, og foreslo oppkjøpet av Oxford Ionics for $1,075 milliarder.

«Kombinasjonen av IonQs maskinvare‑ og programvareekspertise og Oxfords implementering av ion‑felle‑på‑en‑chip gir teamet, IP‑en, teknologien og momentet til å oppnå 800 logiske kubitter i 2027 og 80 000 logiske kubitter i 2030.»

– CEO Niccolo de Masi

I andre kvartal rapporterte IonQ å ha oppnådd opptil 20‑ganger hastighetsøkning i en kvante‑akselerert beregningskjemi‑arbeidsflyt (for legemiddelforskning) i samarbeid med AstraZeneca, NVIDIA og AWS.

Siste nyheter og utviklinger for IonQ (IONQ)-aksjen

Konklusjon

Kvanteteknologi forventes i stor grad å revolusjonere industrier ved å løse komplekse problemer. Det rekordbrytende eksperimentet ved Caltech viser at storskala, feilkorigert kvanteberegning kan være på vei mot virkeligheten.

Med slik forskning, sammen med nye arkitekturer, fremskritt innen materialer og kommersielle aktører som akselererer utviklingen, kan kvanteteknologi bli et universelt anvendbart verktøy i de kommende årene, og muliggjøre gjennombrudd innen vitenskap og samfunn.

Klikk her for en liste over topp kvanteberegningsselskaper.

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. Physical Review Letters, 133, 223402. Publisert 26 november 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (2024, 9. desember). Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip. Google Research Blog. Retrieved from https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. Publisert 24 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. (Version of Record), published 24 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), published 26 februar 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7