Oppskalering av kvantedatamaskiner med enkelt‑atom‑qubits

Enkelt‑atom qubits: En ny æra for kvantedatabehandling

Kvantemaskiner er usedvanlig komplekse enheter som utnytter små variasjoner i oppførselen til individuelle atomer for beregning. På den måten både bruker de og avslører nye innsikter i selve universets natur på atom- og enkeltpartikkelnivå.

Slike innsikter vil sannsynligvis være nødvendige for å bygge kvantedatamaskiner i stor skala, ettersom jo mer komplekst systemet er, desto vanskeligere er det å bygge det stort nok for praktisk bruk.

Forskere ved University of Sydney i Australia har nylig klart å kode flere kvanteberegningsdata inn i ett enkelt atom, noe som potensielt kan revolusjonere den fysiske størrelsen på kvante‑qubits (det kvante‑ekvivalenten til «vanlige» datamaskiners biter).

De publiserte resultatene i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Nature Physics¹, under tittelen “Universal quantum gate set for Gottesman–Kitaev–Preskill logical qubits”.

Gjør qubit pålitelig

For øyeblikket produseres qubits enten gjennom en metode kalt «fanget ion», eller ved å bruke ultrakalde superledende materialer.

Kilde: Forbes

Begge metodene har sine begrensninger:

• De fangede ionene inneholder kun noen få qubits, men er mer pålitelige og gir færre feil.
• De superledende materialene har flere qubits og forventes å være lettere å skalere opp, men er mer feilutsatte.

I begge tilfeller påvirker feilraten forholdet mellom fysiske og logiske qubits, eller antallet fysiske qubits som kreves for å skape en funksjonell qubit fra et beregningsperspektiv.

Etter hvert som antallet nyttige (eller logiske) qubits øker, vokser antallet nødvendige fysiske qubits enda mer. Når dette skaleres opp, blir det enorme antallet qubits som trengs for å lage en nyttig kvantemaskin et ingeniørmareritt.

Derfor er det å gjøre kvantedatamaskiner mer feilresistente kanskje den viktigste oppgaven for forskere på feltet akkurat nå, da det vil fjerne den største hindringen for bygging av nyttige stor‑skala kvantedatamaskiner.

Sveip for å rulle →

Krymping av qubits

De australske forskerne brukte et fanget ion (med et ladet atom av ytterbium) i et kvanteberegningssystem, og en form for datakoding kalt Gottesman‑Kitaev‑Preskill‑koden (GKP).

GKP er en type kode som forventes å hjelpe med å korrigere feil i kvantedatamaskiner. Men å lage en i praksis har hittil vært vanskelig.

Nøkkelen er å lage en «logisk port», en informasjonsbryter som gjør at datamaskiner – både kvante og klassiske – kan programmeres.

Ved å bruke en kvantekontrollprogramvare utviklet av Q‑CTRL, et spin‑off oppstartsselskap fra Quantum Control Laboratory, kodet forskerne dataene inn i ett enkelt atom, i 3D.

I hovedsak lagres to datasett som vibrasjonen til ett enkelt atom, ett sett som vibrasjon fra «venstre til høyre», og ett som vibrasjon fra «opp og ned».

“I praksis lagrer vi to feil‑korrigerbare logiske qubits i ett enkelt fanget ion og demonstrerer sammenfiltring mellom dem.

Vassili Matsos – PhD‑student ved School of Physics og Sydney Nano”

Bygging av en enkelt‑atom logisk port

For å utføre dette kvantefysiske stuntet brukte de et komplekst oppsett av lasere ved romtemperatur for å holde det enkelte atom i fellen, slik at dets naturlige vibrasjoner kunne kontrolleres og utnyttes til å produsere de komplekse GKP‑kodene.

Kilde: Nature Physics

«Romtemperatur»-delen er svært viktig, da den gjør det i seg selv enklere og billigere å utføre enn de superledende kvantedatamaskinene som krever temperatur nær absolutt null og flytende helium.

“Våre eksperimenter har vist den første realiseringen av et universelt logisk portsett for GKP‑qubits.

Vi gjorde dette ved å presist kontrollere de naturlige vibrasjonene, eller harmoniske oscillasjoner, av et fanget ion på en måte som gjør at vi kan manipulere individuelle GKP‑qubits eller sammenfiltre dem som et par.

Dr Tingrei Tan – University of Sydney Nano Institute

Mot skalerbare kvantedatamaskiner

Det er kombinasjonen av romtemperaturkontroller, en enkelt‑atom logisk port og feilreduksjonskode som gjør denne oppdagelsen så viktig.

Sammen åpner dette veien til en ny type fanget‑ion kvantedatamaskin som kan være mye enklere å bygge og mye lettere å skalere opp.

«Våre eksperimenter oppnådde en viktig milepæl, og demonstrerte at disse høy‑kvalitets kvantekontrollene gir et viktig verktøy for å manipulere mer enn bare én logisk qubit.

Ved å demonstrere universelle kvanteporter ved bruk av disse qubits, har vi et grunnlag for å arbeide mot storskala kvanteinformasjonshåndtering på en svært maskinvare‑effektiv måte.

Dr Tingrei Tan – University of Sydney Nano Institute

Parallelt har flere nye oppdagelser nylig blitt gjort som viser potensialet for å koble sammen kvantedatamaskiner. Så hvis hver blir kraftigere, og kvantenettverk nærmer seg virkeligheten, kan dette bidra til en eksplosjon i brukbar qubit‑kapasitet.

Kvantemaskiner som åpner ny fysikk

Oppskalerte kvantedatamaskiner vil sannsynligvis revolusjonere kryptografi og vitenskapelig forskning, takket være deres enorme kapasitet til å løse komplekse problemer som er for vanskelige å beregne med binære datamaskiner.

Men det kan også indirekte åpne en helt ny måte for fysikere å studere kvanteområdet.

Dette er hva som fremkommer fra analyser utført på Googles kvantedatamaskiner av forskere ved Princeton University, Cornell University, Purdue University, University of Nottingham (UK), Technical University of Munich (Tyskland) og Google Research, ifølge en ny publisering i Nature², med tittelen “Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1)D lattice gauge theories”.

Måling av gauge‑teori

Googles kvantedatamaskin gjør det mulig for forskere å eksperimentere med og teste såkalt «Lattice Gauge Theory» (LGT), en type kvantefeltteori som postulerer eksistensen av gauge‑felt (felt som formidler krefter, som det elektromagnetiske feltet) og gauge‑bosoner (de elementære partiklene som bærer disse kreftene).

Kilde: Nature

Teamet viste hvordan partikler og de usynlige «strenger» som forbinder dem oppfører seg, fluktuerer og til og med brytes.

Kilde: Nature

Forskerne bekreftet i den studien at disse «strengene» kunne måles og observeres i kvantedatamaskiner.

“Ved å utnytte kraften til den kvanteprosessoren, studerte vi dynamikken i en spesifikk type gauge‑teori og observerte hvordan partikler og de usynlige ‘strengene’ som forbinder dem utvikler seg over tid.”

Pedram Roushan – Google Quantum AI

Ved å skape svært kontrollerte situasjoner for å observere kvanteeffekter, uten å kreve de svært høye energinivåene fra partikkelakseleratorer, blir det tydelig at kvantedatamaskiner kan bli nøkkelverktøy i grunnleggende fysikkforskning.

“Vårt arbeid viser hvordan kvantedatamaskiner kan hjelpe oss med å utforske de grunnleggende reglene som styrer vårt univers.

Ved å simulere disse interaksjonene i laboratoriet, kan vi teste teorier på nye måter.

Michael Knap, Professor of Collective Quantum Dynamics at the TUM School of Natural Sciences

Fremtiden for skalerbare kvantedatamaskiner

Potensialet til kvantedatamaskiner er ennå ikke fullt forstått, ettersom de jevnlig blir gjenoppfunnet fra sine grunnleggende prinsipper, på liknende måte som de første datamaskinene gikk fra hullkort til vakuumrør og deretter silisium‑transistorer. Men endringstakten er mye raskere.

Det innebærer at vi snart kan se betydelige fremskritt i produksjonen av større, kraftigere kvantedatamaskiner, som også kan nettverkes sammen for enda større kapasitet.

Dette kan åpne veien ikke bare til mye høyere beregningskapasitet, men også til en helt ny forståelse av materie og kvantefysikk, med for eksempel en helt ny tilstand av materie som den nylig demonstrerte «topologiske tilstanden» av Microsofts kvante‑datateam (Majorana‑1‑brikken).

Investering i kvantedatabehandling

Honeywell / Quantinuum

Mens Googles kvantedatamaskin kan avsløre nye innsikter om kvantefysikkteori, gjør oppdagelsen av en potensiell 1‑atom qubit ved bruk av fanget‑ion‑teknologi denne metoden mye nærmere kommersiell levedyktighet enn superledende kvantedatamaskiner.

Quantinuum er resultatet av fusjonen mellom Honeywell Quantum Solutions og Cambridge Quantum.

Honeywell forblir selskapets majoritetsaksjonær (sannsynligvis 52 % eierskap) etter en kapitalinnhentingsrunde som verdsatte det til $5 milliarder. Grunnlegger Ilyas Khan skal eie omtrent 20 % av selskapet. Andre aksjonærer inkluderer JSR Corporation, Mitsui, Amgen (AMGN ), IBM og JP Morgan.

Et potensielt børsnotering av Quantinuum i fremtiden, muligens som en del av en større bedriftsrestrukturering, anslås å kunne være verdt opptil $20 milliarder og kan skje mellom 2026 og 2027.

Kvanteregning er ikke den sentrale delen av Honeywells virksomhet, som i større grad er fokusert på produkter innen luftfart, automatisering og spesialkjemikalier & materialer.

Hvert av disse områdene kan imidlertid dra nytte av kvantedatabehandling, spesielt beregningskjemi og kvante‑cybersikkerhet, noe som potensielt kan gi Honeywell en fordel over konkurrentene.

Selskapets hovedmodell for nå er H2, en fanget‑ion 56‑qubit chip, med 99,895 % to‑qubit port‑fidelitet.

Selskapet har forfulgt høy‑kvalitets beregning med svært få feil, mer enn å legge til så mange qubits som mulig, og skapt det som kalles «feiltolerant kvantedatabehandling».

Denne tilnærmingen er merket av selskapet som «Bedre qubits, bedre resultater», med et tilsvarende antall qubits som oppnår 100‑1 000 ganger mer pålitelige resultater.

Kilde: Quantinuum

Dette kan gjøre en merkbar forskjell i det akutt nødvendige kvante‑resistente kryptografiet, med forsvarsselskapet Thales (HO.PA -0,96 %) allerede i samarbeid med Quantinuum samt de internasjonale bankene HSBC og JP Morgan.

Quantinuum tilbyr også sin proprietære kvante‑beregningskjemi InQuanto, som kan brukes til farmasøytisk industri, materialvitenskap, kjemikalier, energi og luftfartsapplikasjoner.

Som mange andre kvantedatabehandlingsselskaper, tilbyr Quantinuum Helios, en «hardware‑as‑a‑service», som gjør det mulig for brukere å dra nytte av kvantedatabehandling uten å måtte håndtere kompleksiteten ved å operere systemet selv.

Quantinuum signerte i november 2024 et partnerskap med det tyske Infineon, Europas største halvlederprodusent. Infineon vil bidra med sin integrerte fotonikk‑ og kontroll‑elektronikkteknologi for å hjelpe med å skape neste generasjon av fanget‑ion kvantedatamaskiner.

Ettersom integrert fotonikk nærmer seg praktiske bruksområder, er det nå klart hvor viktig dette partnerskapet kan være for Quantinuums fremtid. På dette tidspunktet ser det ut til at neste steg for selskapet vil være å lansere verdens første AI‑fokuserte fotonikk‑kvantebrikke.

“I de kommende månedene vil Quantinuum dele resultater fra pågående samarbeid, og vise det banebrytende potensialet til kvante‑drevet fremgang innen generativ AI.

Den innovative Gen QAI‑funksjonen vil forbedre og akselerere bruken av metall‑organiske rammeverk for legemiddellevering, og bane vei for mer effektive og personaliserte behandlingsalternativer, med detaljer som vil bli avslørt ved lanseringen av Helios.

Quantinuum kunngjør generativ kvante‑AI‑gjennombrudd med enorm kommersiell potensial

Flere pågående bruksområder kan sterkt øke selskapets fremtidige verdi, og dermed Honeywells andel i det, samt den potensielle fortjenesten investorer kan oppnå.

(Du kan lese mer om resten av Honeywells industrielle aktiviteter innen automatisering, luftfart og avanserte materialer i rapporten dedikert til selskapet).

Siste nyheter og utviklinger for Honeywell (HON) aksjen

Refererte studier

<sup>1. Matsos, V.G., Valahu, C.H., Millican, M.J. et al. Universal quantum gate set for Gottesman–Kitaev–Preskill logical qubits. Nature. Physics. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1)D lattice gauge theories. Nature 642, 315–320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9</sup>