Lydbølger gir gjennombrudd i lagring av kvanteinformasjon

Kvanteregning lover enestående hastighet i løsning av komplekse problemer for å drive gjennombrudd innen AI, finans, logistikk, materialvitenskap, legemiddelforskning og kryptografi.

Men selv om teknologien har enormt potensial, er realiseringen ikke enkel, da det i praksis har vist seg svært vanskelig å få kvantedatamaskiner til å fungere og utnytte dem til å løse virkelige problemer.

Kvanteregning er fortsatt en eksperimentell teknologi, med forskere arbeider med å overvinne hindringene for å utføre nøyaktige simuleringer av kvantenivåfenomener. Et av de store problemene her er lagring av informasjon over lang tid.

Dette skyldes at selv om superledende kvantebiter har store evner til å behandle kvanteinformasjon, har de relativt begrenset koherenstid.

Koherens er evnen et kvantesystem har til å opprettholde forholdet mellom ulike tilstander i en superposisjon. Denne grunnleggende egenskapen gjør at kvantebiter kan eksistere i en lineær kombinasjon av basis‑tilstander, og muliggjør parallellisme og interferens som er kjernen i kvantedatabehandling. 

Essensiell for å utføre kvanteoperasjoner, er koherens ganske skjør og kan lett gå tapt gjennom selv små interaksjoner med omgivelsene.

Hvis det ikke er koherens, går den kvante‑adferden tapt for kvantebiten, og kvanteberegninger blir meningsløse. Samtidig er decoherens prosessen der koherensen går tapt, og den er fortsatt en stor utfordring i bygging og drift av kvantedatamaskiner.

Nå er superledende kvantebiter en fysisk måte å realisere kvantebiter på, og de er avhengige av å opprettholde kvantekoherens for å fungere. Men selvfølgelig, er decoherens deres største utfordring.

Superledende kvantebiter er små kretser laget av spesifikke materialer, som utnytter kvantefenomener som superposisjon og sammenfiltring for å utføre beregninger. Materialene som brukes til å lage en krets kjøles ned til nesten absolutt null for å bli superledende, noe som betyr at de kan lede elektrisitet uten motstand.

Selv om disse superledende kvantebitene er bemerkelsesverdige for raske beregninger, sliter de med å lagre informasjon over lengre perioder.

Et grensesnitt mellom fotoner og fononer kan imidlertid tillate kvanteinformasjon å lagres i langlivede mekaniske oscillatorer. Et team ved Caltech har gjort nettopp dette; de har introdusert en plattform som avhenger av elektrostatiske krefter i nanoskalastrukturer for å oppnå sterk kobling mellom en kvantebit og en nanomekanisk oscillator.

Energi‑nedbrytningstiden (T1) er omtrent 25 ms, noe som overstiger de som er oppnådd i integrerte superledende kretser.

For å utforske røttene til decoherens samt redusere dens påvirkning, brukte teamet kvanteoperasjoner. Bruken av to‑pulss dynamisk dekoblingssekvenser hjalp dem med å oppnå en lengre koherenstid (T2) på 1 ms, en forlengelse fra 64 µs.

Funnene i studien viser at i superledende enheter kan mekaniske oscillatorer fungere som kvantehukommelser, med potensialet til å bli brukt i kvantedatabehandling, sensoring og transduksjon.

Hvordan lydbølger lagrer kvantetilstander lenger

Konvensjonelle datamaskiner som bærbare og telefoner lagrer informasjon i form av bits.

Bits er den minste enheten av digital informasjon, som er grunnleggende logiske biter som enten har en binær verdi null eller en.

Kvantemaskiner kan derimot ha en tilstand som både er null og en samtidig, kjent som superposisjon, og dette er bakgrunnen for kvantedatabehandlingens løfte om å løse problemer som er uoverkommelige for våre klassiske datamaskiner.

Mange eksisterende kvantedatamaskiner er basert på superledende elektroniske systemer, hvor elektroner flyter uten motstand ved ekstremt lave temperaturer. I disse systemene, når den kvantemekaniske naturen til elektroner flyter gjennom resonatorer, skapes superledende kvantebiter.

Disse kvantebitene er flinke til å utføre de logiske operasjonene som kreves for beregning. Men de er ikke særlig gode til å lagre informasjon, som representeres av matematiske beskrivelser av spesifikke kvantesystemer. 

For å øke lagringstiden til kvantetilstander har ingeniører sett på å bygge «kvantehukommelser» for superledende kvantebiter.

Et team av forskere fra Caltech har tatt en hybrid tilnærming til disse kvantehukommelsene. 

Elektrisk informasjon ble effektivt konvertert til lyd ved hjelp av denne metoden. For å oversette kvanteinformasjon til lydbølger, brukte de en liten enhet som fungerer som en miniatyrstemmeklokke.

Dette gjorde at levetiden til kvantetilstander kunne forlenges så mye som tretti ganger mer enn andre teknikker, og la grunnlaget for skalerbare, praktiske kvantedatamaskiner med kapasitet til ikke bare å beregne men også huske.

“Når du har en kvantetilstand, vil du kanskje ikke gjøre noe med den umiddelbart. Du trenger en måte å komme tilbake til den når du vil utføre en logisk operasjon. For det trenger du en kvantehukommelse.”

– Mohammad Mirhosseini, assisterende professor i elektroteknikk og anvendt fysikk ved Caltech

Støttet av finansiering fra National Science Foundation og Air Force Office of Scientific Research, ble studien ledet av Caltech‑gradstudenter Alkim Bozkurt og Omid Golami og ble publisert¹ i tidsskriftet Nature Physics.

Den beskrev fremstillingen av en superledende kvantebit på en chip, som deretter ble koblet til en liten enhet kalt en mekanisk oscillator.

En mekanisk oscillator er et system som viser oscillerende bevegelse. Den er i bunn og grunn en mini‑stemmeklokke, som i denne studien består av fleksible plater. Disse platene vibreres ved hjelp av lydbølger på gigahertz (GHz) frekvenser.

Da teamet påførte en elektrisk ladning på de fleksible platene, kunne de interagere med elektriske signaler som bar kvanteinformasjon, slik at den kunne overføres inn i enheten for lagring som en «hukommelse» og senere overføres ut eller «huskes» igjen.

Forskerne målte hvor lenge det tok for oscillatoren å miste sitt kvanteinnhold etter at informasjonen ble introdusert i enheten. 

“Det viser seg at disse oscillatorene har en levetid omtrent 30 ganger lengre enn de beste superledende kvantebitene som finnes.”

– Mirhosseini

Denne metoden for å konstruere en kvantehukommelse har flere fordeler sammenlignet med andre teknikker. Akustiske bølger, for eksempel, beveger seg mye saktere enn elektromagnetiske bølger, og gjør dermed mer kompakte enheter mulig.

Elektromagnetiske (EM) bølger er transversale bølger av oscillerende elektriske og magnetiske felt som transporterer energi gjennom rommet. De produseres ved akselerasjon av ladede partikler og omfatter et spektrum som inkluderer radiobølger, mikrobølger, infrarødt, synlig lys, ultrafiolett, røntgen og gammastråler. 

Swipe for å bla →

Alle EM-bølger beveger seg med lysets hastighet i vakuum og krever ikke et medium for å propagere.

Samtidig er akustiske bølger mekaniske bølger, som lydbølger, som overfører energi gjennom et medium som fast stoff, væske eller gass ved å få partiklene i mediet til å vibrere, komprimere og utvide seg. Disse bølgene karakteriseres av egenskaper som frekvens, amplitude og bølgelengde. Akustiske bølger omfatter et spekter av frekvenser, inkludert infralyd og ultralyd.

Fordi mekaniske vibrasjoner, i motsetning til EM‑bølger, ikke propagere i fritt rom, lekker ikke energien ut av systemet og kan bli sterkere innelåst i et medium, noe som gir lengre lagringstid og demper uønsket energibytte mellom nærliggende enheter.

Disse fordelene gir muligheten til å inkludere mange slike stemmeklokker på én chip, og gir en skalerbar vei til kvantehukommelser.

Studien, ifølge Mirhosseini, viser minimal interaksjon mellom akustiske og elektromagnetiske bølger som er nødvendig for å undersøke verdien av dette hybride systemet som et minnelement. 

“For at denne plattformen skal være virkelig nyttig for kvantedatabehandling, må du kunne sette kvantedata inn i systemet og ta dem ut mye raskere. Og det betyr at vi må finne måter å øke interaksjonsraten med en faktor på tre til ti utover hva vårt nåværende system er i stand til,” sa Mirhosseini. Og teamet har ideer om hvordan man kan oppnå det.

Kvantemaskinvare og programvare: Veien til kommersiell bruk

Den nye enheten laget av Caltech‑forskere har vært under utvikling en stund nå.

For et par år siden, i deres tidligere arbeid, viste teamet at lyd, spesielt fononer, som er individuelle vibrasjons‑partikler på samme måte som fotoner er, kunne gi en enkel måte å lagre kvanteinformasjon på.

På den tiden viste Mirhosseinis gruppe den nye metoden i laboratoriet, hvor de utforsket fononer på grunn av den relative enkelheten ved å bygge små enheter som kan lagre disse mekaniske bølgene.

Teamet testet enheter i eksperimenter som så egnet ut for å kombineres med superledende kvantebiter, siden de opererer på de samme svært høye GHz‑frekvensene.

Humans hear in the hertz to kilohertz range (up to ~20 kHz), whereas the devices operate at gigahertz (billions of cycles per second)—around 50,000× higher in frequency.

De testede enhetene hadde også lange levetider og fungerte godt ved de lave temperaturene som kreves for å bevare kvantetilstander med superledende kvantebiter.

Som Mirhosseini bemerket på den tiden, har andre studier sett på piezoelektriske materialer, en spesiell type materiale, som en måte å konvertere mekanisk energi til elektrisk energi i kvanteapplikasjoner. Han la til:

“Disse materialene har imidlertid en tendens til å forårsake energitap for elektriske og lydbølger, og tap er en stor dødbringende faktor i kvanteverdenen.”

Den nye teknikken som er utviklet av Caltech‑teamet, derimot, er ikke avhengig av spesifikke materialegenskaper og er derfor kompatibel med etablerte mikrobølge‑baserte kvanteenheter.

Å bygge effektive lagringsenheter med kompakt størrelse er enda en utfordring for de som utforsker kvanteapplikasjoner.

Denne utfordringen tackles også av den nye metoden, som “gjør det mulig å lagre kvanteinformasjon fra elektriske kretser i perioder to størrelsesordener lengre enn andre kompakte mekaniske enheter,” sa hovedforfatter Bozkurt, som er graduate‑student i Mirhosseinis gruppe.

Selv om Caltech‑s lyd‑bølge‑plattform er lovende, er den bare en del av en mye større forskningsinnsats som pågår over hele verden ved ulike institusjoner. Forskere tester ulike metoder for å overvinne utfordringene med kvantedatamaskiner. 

For eksempel har forskere fra University of Southern California vendt seg til matematikk².

De bruker neglectoner for å løse noen av problemene med topologiske kvantebiter. Denne klassen av teoretiske partikler, som er navngitt slik fordi de ble avledet fra oversett teoretisk matematikk, kan åpne en ny vei mot eksperimentell realisering av universelle topologiske kvantedatamaskiner.

“Målet mitt er å lage så overbevisende et argument som mulig for andre forskere om at den ikke‑semisimple rammeverket ikke bare er gyldig, men en spennende tilnærming for bedre forståelse av kvanteteori.”

– Medforfatter Aaron Lauda

I mellomtiden, i en annen tilnærming, kontrollerer forskere lyset som emitteres av kvante‑dotter, noe som kan føre til billigere, raskere og, selvfølgelig, mer praktiske kvanteteknologier.

For dette, fant forskningssamarbeidet en ny metode³ som baserer seg på stimulert to‑fotons‑eksitasjon, som gjør at kvante‑dotter kan sende fotonstrømmer i distinkte polariserings‑tilstander uten behov for elektronisk bryter‑hardware. Da de ble testet, klarte forskerne å produsere utmerkede to‑fotons‑tilstander mens de bevarte bemerkelsesverdige enkelt‑fotonegenskaper.

“Det som gjør denne tilnærmingen spesielt elegant er at vi har flyttet kompleksiteten fra dyre, tap‑induserende elektroniske komponenter etter enkelt‑fotonutslipp til den optiske eksitasjonsfasen, og det er et betydelig skritt fremover i å gjøre kvante‑dot‑kilder mer praktiske for virkelige applikasjoner.”

– Hovedforsker, Vikas Remesh

Deretter er teamet fra The Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana‑Champaign, som har presentert et høy‑ytelses modulært design⁴ for superledende kvanteprosessorer med ~99 % pålitelighet. 

Den modulære arkitekturen, i motsetning til de restriktive monolittiske designene, gir større skalerbarhet, enklere forbedringer og motstandskraft mot inkonsistenser.

Mens de fleste innsatsområder tydelig fortsetter å fokusere på maskinvare‑delen av kvantedatamaskiner, ser man nå en forskyvning mot programvare ettersom folk tror teknologien er “på terskelen til å bli kommersielt levedyktig,” og dermed trenger noe nyttig å gjøre med dem.

I den forbindelse har kvante‑algoritme‑selskapet Phasecraft hentet inn 34 millioner dollar fra flere investorer, inkludert investeringsselskapet knyttet til det danske legemiddelfirmaet Novo Nordisk (NVO ). 

Phasecrafts algoritmer, ifølge administrerende direktør Ashley Montanaro, vil kunne kjøre “vitenskapelig viktige” beregninger innen “neste vår”, og noen kommersielt nyttige applikasjoner kan bli tilgjengelige “innen de neste par årene.”

Det er nå en økende interesse for algoritmer. Nylig hevdet en forsker hos Google å ha utviklet en 20‑fold reduksjon i skalaen til en kvantedatamaskin som trengs for å kjøre Shors algoritme, som kan brukes til å knekke dagens mest brukte former for kryptering. 

Som svar har utvikleren Hunter Beast introdusert BIP 360 i et forsøk på å gjøre Bitcoin (BTC) motstandsdyktig mot kvantedatabehandling.

Samtidig har kvantedatabehandlingsselskapet Norma validert ytelsen til sine kvante‑AI‑algoritmer for legemiddelforskning ved bruk av NVIDIA (NVDA ) CUDA‑Q, og observert beregningshastigheter omtrent 73 ganger raskere.

Investering i kvantedatabehandling

Mange store navn forsker på superledende kvantedatabehandling, og det inkluderer IBM (IBM ), Intel (INTC ), og mange flere. Men i dag ser vi på Honeywell International (HON ), som er sterkt involvert i kvantedatabehandling gjennom sin majoritetsandel i Quantinuum. 

Quantinuum, et Honeywell International (HON )-selskap

Quantinuum er et kvantedatabehandlingsselskap etablert i 2021 gjennom fusjonen av Cambridge Quantum og Honeywell Quantum Solutions. For å akselerere utviklingen av feil‑tolerante kvantedatamaskiner, har de sikret finansiering fra investorer som JPMorgan Chase.

I fjor demonstrerte de mest pålitelige logiske kvantebitene som er registrert. Quantinuum brukte Microsofts banebrytende kvante‑bit‑virtualiseringssystem, med feildiagnostikk og korrigering, på sin ion‑felle‑maskinvare for å kjøre mer enn 14 000 individuelle eksperimenter uten en eneste feil. 

I forrige måned lanserte Quantinuum to nye åpen‑kilde‑programvare‑komponenter, inkludert Guppy, et språk som er vert i Python, og som er blitt beskrevet av administrerende direktør Rajeeb Hazra som “et paradigmeskifte for utviklere”, samt en emulator kalt Selene, som er en “digital tvilling” som etterligner kvante‑adferd for programmerere som vil teste og feilsøke koden sin.

Den nye full‑stack‑plattformen kommer i forkant av den kommende lanseringen av Quantinuums neste‑generasjons kvantedatamaskin Helios.

Så, selskapet forfølger fremskritt både innen kvante‑maskinvare og programvare med sin forskning og kommersielle aktiviteter rettet mot AI, cybersikkerhet, kjemisk simulering og andre anvendelser.

Gjennom Quantinuum har Honeywell videreutviklet fangede‑ion‑kvantedatamaskiner, som bruker elektromagnetisk fangede ioner som kvantebiter for høy‑fidelitets‑beregninger, til kunder i ulike sektorer, inkludert helsevesen, finans og verktøy.

Det integrerte drifts‑selskapet er hovedsakelig involvert i tre megatrender, som er automatisering, luftfart og energi‑overgang. Samtidig betjener det flere nøkkelsegmenter:

• Luftfartsteknologi
• Industriell automatisering
• Bygningsautomatisering og energi
• Bærekraftsløsninger

Med en markedsverdi på 139,36 milliarder dollar, handles HON‑aksjene, per skrivende stund, til 218,40 $, ned 2,83 % i år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 8,79 og en P/E (TTM) på 24,96. Utbytteavkastningen er 2,06 %.

Når det gjelder økonomi, rapporterte Honeywell en omsetning på 10,4 milliarder dollar for andre kvartal 2025. Resultat per aksje var 2,45 $, og justert EPS var 2,75 $.

I denne perioden fullførte selskapet et salg av PPE‑virksomheten på 1,3 milliarder dollar, avsluttet oppkjøpet av Sundyne på 2,2 milliarder dollar, og kunngjorde et oppkjøp av Johnson Mattheys katalysator‑teknologibusiness på 1,8 milliarder pund. Selskapet repurchase også 1,7 milliarder dollar av sine egne aksjer.

Administrerende direktør Vimal Kapur påpekte betydningen av å levere “enestående resultater” med både organisk vekst og justert EPS som overgikk veiledning til tross for uforutsigbare makro‑økonomiske forhold.

“Med Bygningsautomatisering i front, vokste tre av fire segmenter i omsetning med mer enn 5 % i kvartalet, noe som demonstrerer kraften i vårt Accelerator‑operativsystem til å tilpasse seg raskt og drive vekst selv når forretningsforhold endres,” sa Kapur mens han bemerket “lovende resultater fra vårt økte fokus på ny produktinnovasjon, som ytterligere støttet veksten i vår rekord‑baklogg.”

Konklusjon

Kvanteregning kan føre til betydelige fremskritt innen AI, helsevesen, materialvitenskap, cybersikkerhet og andre industrier. Men fremdriften av denne teknologien avhenger ikke bare av kvantebit‑ytelse, men også av evnen til å lagre kvanteinformasjon pålitelig.

Caltech‑plattformen tilbyr en plan for å oppnå dette. Ved å integrere beregning og minne i en enkelt chip, bringer den nye utviklingen feltet nærmere virkelige applikasjoner.

Klikk her for en liste over de fem beste kvantedatabehandlingsselskapene.

Referanser:

1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). En mekanisk kvantehukommelse for mikrobølge‑fotoner. Nature Physics, (online‑publisering), publisert 13 august 2025. Mottatt 10 januar 2025; godkjent 17 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universell kvanteberegning ved bruk av Ising‑anyoner fra en ikke‑semisimple topologisk kvantefelt‑teori. Nature Communications, 16, 6408, publisert 5 august 2025. Mottatt 13 oktober 2024; godkjent 18 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passiv demultiplekset to‑fotons‑tilstandsgenerering fra en kvante‑dot. npj Quantum Information, 11, 139, publisert 11 august 2025. Mottatt 10 april 2025; godkjent 25 juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. Et høy‑effektivitet elementært nettverk av utskiftbare superledende kvantebit‑enheter. Nature Electronics, 8, 610–619, publisert 27 juni 2025 (utgivelsesdato juli 2025). Mottatt 8 september 2024; godkjent 23 mai 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3