Bygga nästa generation av datorer med kvantutförare och infraröda laser

Datorernas historia är sammanflätad med modern tekniks historia. Allt började på 1800-talet, när en fransk handelsman och uppfinnare, Marie Jacquard, år 1801 uppfann en vävstol med hålade träkort för att automatiskt väva tygmönster.

Den mest betydande framstegen inom automatiserad beräkning under det århundradet skedde när den engelske matematikern Charles Babbage konstruerade en ångdriven beräkningsmaskin som kunde beräkna taltabeller. Den mest banbrytande uppfinningen på 1900-talet kom 1936 från Alan Turing, en brittisk vetenskapsman och matematiker, som introducerade en universalmaskin, senare kallad Turingmaskinen. Forskare hävdar att konceptet för moderna datorer i grunden är baserat på Alan Turings idéer.

Sedan dess har det varit en kedja av framsteg. År 1939 grundade David Packard och Bill Hewlett företaget Hewlett Packard, och 1953 utvecklade Grace Hopper det första datorspråket, COBOL, följt av John Backus och hans team av programmerare på IBM som publicerade ett papper som beskrev deras nyss skapade programmeringsspråk FORTRAN.

Strömmen av uppfinningar som berikar datortekniken genom åren har fokuserat på flera aspekter. Ibland har det handlat om utvecklingen av ett banbrytande språk eller mjukvara och andra gånger om avgörande hårdvara. Sådana uppfinningar fortsätter att ske och hjälper till att bygga nästa generation av datorer, något som verkligen är ‘framtidsinriktat’ i ordets mest egentliga betydelse.

I de följande avsnitten kommer vi att titta på två sådana uppfinningar som involverar kvantutförare och infraröda laser.

Rör sig mot ett stort genombrott: En skalbar kvantdator

Genombrottet kommer från ett forskarlag lett av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Forskarnas påstående är att de har lyckats i sitt försök att använda ett femtosekundslager för att skapa och ‘annihilera’ qubitar genom att doppa kisel med väte. Forskarna betonade att de kunde utföra detta på begäran och med precision. 

Men för att kunna förstå forskningens betydelse fullt ut måste vi veta vad qubitar är och varför de är viktiga!

Behovet av att sammankoppla miljarder qubitar

Kvantdatorer kan bli banbrytande i sin förmåga att lösa problem en miljon gånger snabbare än några av de mest avancerade superdatorerna som finns tillgängliga idag. Dessa maskiner har potential att inleda revolutionerande genombrott inom områden som sjukvård, läkemedel och artificiell intelligens. Men för att allt detta ska ske måste industrin hitta ett sätt att sammankoppla miljarder qubitar eller kvantbitar, vilket leder till den ultimata utvecklingen av ett mycket effektivt nätverk av kvantdatorer.

Forskningen har nu visat ett sätt att stärka kvantdatorer genom att använda programmerbara optiska qubitar eller ‘spin-foton qubitar’ som kan koppla kvantnoder över ett fjärrnätverk. 

När hon förklarade forskningens betydelse och de resultat den uppnått, gjorde Kaushalya Jhuria, postdoktoral forskare i Berkeley Labs avdelning för Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP), följande kommentar:

“För att skapa en skalbar kvantarkitektur eller ett nätverk behöver vi qubitar som på ett pålitligt sätt kan bildas på begäran, på önskade platser, så att vi vet var qubiten är placerad i ett material. Och det är därför vårt tillvägagångssätt är kritiskt. För när vi vet var en specifik qubit sitter kan vi bestämma hur vi ska koppla denna qubit till andra komponenter i systemet och skapa ett kvantnätverk.“

Men hur uppnår forskningen detta mål? Det gör de genom att bilda qubitar i kisel med programmerbar kontroll. 

Berättelsen om kiselns ‘färgcentra’ och ‘spin-foton qubitar’

Med stöd från DOE:s Office of Science, studie använde en gasmiljö för att skapa programmerbara defekter kända som “color centers” i kisel. Dessa färgcentra är kandidater för “spin photon qubits” eller speciella telekommunikationsqubitar.

Kvant- eller qubitbit är en grundläggande enhet för kvantinformation. Denna minsta komponent i ett kvantinformationssystem kodar data i 1, 0 eller allt däremellan, vilket kallas superposition. Spin-foton qubitar avger däremot fotoner med förmågan att bära information kodad i elektronspinn över stora avstånd.

För att nu bilda dessa speciella qubitar som exakt kan stödja ett säkert kvantnätverk använde studien en ultrarapid laser som kan avge energipulser på bara femtosekunder – varje puls så kort som en biljarddel av en sekund, riktad mot ett område som inte är större än en dammpartikel.

Vid undersökning av de optiska (fotoluminiscens) signalerna från de resulterande färgcentra med en nära-infraröd detektor för att karakterisera dem, fann teamet ett Ci-center, som är en kvantutförare. Ci-centret har en enkel struktur och lovande spin‑egenskaper samtidigt som det är stabilt vid rumstemperatur, vilket gör det till en ganska imponerande kandidat för spin-foton qubit som avger fotoner i telekom- eller frekvensbandet. Enligt Jhuria:

“Vi visste från litteraturen att Ci kan bildas i kisel, men vi förväntade oss inte att faktiskt skapa denna nya kandidat för spin-foton qubit med vårt tillvägagångssätt.” 

Intressant nog kan en ökning av intensiteten hos den femtosekundslaser som används vid bearbetning av kisel i närvaro av väte också öka väteets rörlighet. Detta passiverar i sin tur oönskade färgcentra samtidigt som kiselgittret förblir oskadat.

En teoretisk analys bekräftade också experimentobservationerna att ljusstyrkan hos Ci-färgcentret kan ökas avsevärt i närvaro av väte. Som Jhuria förklarade kan laserpulserna inte bara skjuta ut utan även föra tillbaka väteatomerna, “möjliggörande för programmerbar bildning av önskade optiska qubitar på precisa platser.” 

Att på ett pålitligt sätt skapa färgcentra är bara början; nu vill teamet få olika qubitar att kommunicera med varandra och se vilka som presterar bäst. 

“Förmågan att bilda qubitar på programmerbara platser i ett material som kisel, som finns i stor skala, är ett spännande steg mot praktisk kvantnätverk och -beräkning.”

– Cameron Geddes, chef för ATAP-avdelningen

Tekniken kommer nästa steg att användas för att införliva optiska qubitar i kvantapparater som vågledare samt för att hitta nya kandidater för spin-foton qubitar med egenskaper optimerade för utvalda tillämpningar.

Nya tillvägagångssätt för att uppnå kvantdatorer: Arbeta med molekyler

Fältet för kvantdatorer har fått betydande uppmärksamhet genom åren, med forskare som ständigt arbetar med att hitta nya tekniker för att förverkliga det. Manipulering av organiska molekyler är ett område som studeras för sin potentiella tillämpning i kvantdatorer. 

Teamet vid TU Graz undersökte hur man kan stimulera kompetenta molekyler med infraröda ljuspulser för att skapa små magnetfält. Om denna teknik vidareutvecklas framgångsrikt i experiment kan den till och med användas i kretsar för kvantdatorer.

Det beror på att selektiv manipulation av infrarött ljus faktiskt gör det möjligt att kontrollera riktning och styrka på magnetfältet. Detta omvandlar molekyler till högprecisionsoptiska switchar, som sedan även kan användas för att bygga kretsar för en kvantdator, enligt Andreas Hauser från Institutet för experimentell fysik vid TU Graz.

Medan interaktioner mellan molekylära vibrationer och spinnmagnetism är väl dokumenterade i mikrovågspektroskopi, föreslår denna studie metoder för att aktivt excitera molekylära vibrationer som genererar ett magnetfält på specifika platser.

Stimulering av molekyler med infraröda laser för att bilda magnetfält

När de bestrålas med infrarött ljus börjar molekylerna vibrera på grund av energitillförseln. Genom att utnyttja detta fenomen som utgångspunkt började fysiker arbeta med att ta reda på om dessa vibrationer faktiskt kan användas för att generera magnetfält.

För sina beräkningar använde Hauser tillsammans med sitt team metallftalocyaniner som exempel. Teamet fann att på grund av den höga symmetrin hos dessa ringformade, aromatiska plana färgämnesmolekyler, genererar de små magnetfält i nanometerområdet (< 1 nm) när de utsätts för infraröda pulser. Baserat på detta bör mätning av styrkan hos det låga men exakt lokala fältet via kärnmagnetisk resonansspektroskopi vara möjlig.

Förutom att dra nytta av arbetet från laser spektroskopins tidiga dagar använde teamet även modern elektronstrukturteori på superdatorer för att beräkna hur makrocykliska ftalocyaninmolekyler beter sig när de utsätts för ljus via cirkulärt polariserat infrarött ljus.

Teamet fann att cirkulärt polariserade ljusvågor exciterar två molekylära vibrationer samtidigt i räta vinklar mot varandra. Genom att likna detta vid rumba-tekniken förklarade Hauser:

“Den rätta kombinationen av framåt-bakåt och vänster-höger skapar en liten, sluten slinga. Och denna cirkulära rörelse av varje påverkad atomkärna skapar faktiskt ett magnetfält, men bara mycket lokalt, med dimensioner i storleksordningen några nanometer.” 

Detta är dock bara teoretiskt. Teamet kommer nu att arbeta med att bevisa att molekylära magnetfält kan genereras på ett kontrollerat sätt experimentellt så att de faktiskt kan utnyttjas. 

För experimentet behöver de dock identifiera ett substrat som interagerar minimalt med de målade processerna eftersom kommande tillämpningar kräver att ftalocyaninmolekylen placeras på en yta. Att göra detta förändrar dock de fysiska förhållandena, vilket i sin tur påverkar excitationen som framkallas av ljuset och magnetfältets egenskaper.

Så, innan det verkligen kan testas i experiment måste teamet först beräkna samspelet mellan de deponerade ftalocyaninerna, det infraröda ljuset och stödmaterialet. Om experimentet bekräftar de förutsagda förändringarna i magnetiska skärmande konstanter, säger studien, kan det ses som den första mätningen av ett magnetfält som skapats vibratoriskt, med intramolekylär upplösning.

Klicka här för att lära dig om Heron & Condor, de senaste framstegen inom kvantdatorer.

Företag som driver fram fältet för kvantdatorer

Det finns flera företag, såsom Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) och D-Wave, som arbetar med att driva fram kvantdatorer. IBM är ett framstående namn som har fokuserat på kvantdatorer i många år nu. Precis nyligen, samarbetade med Japans National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) för att hjälpa dem att producera en kvantdator med 10 000 qubitar innan detta decennium är över. Så, mitt i all denna utveckling, låt oss ta en närmare titt på några andra viktiga namn i sektorn:

#1. Google 

Den teknologijätte har lagt ner mycket arbete på att bygga kvantdatorer under de senaste åren. År 2019 demonstrerade Google för första gången att kvantdatorer kunde köra en algoritm som skulle vara omöjlig för en konventionell superdator att hantera.

Förra året presenterades Googles Sycamore-kvantprocessor med 70 qubitar, ett språng från föregående versionens 53 qubitar. Detta gör den ungefär 241 miljoner gånger snabbare och mer robust än den tidigare modellen. Googles nya kvantdator simulerar samtidigt magneters beteende i detalj och kan hjälpa oss att få en djupare förståelse för magnetism.

När det gäller kvantdatorer använder Google ett helhetsstack-ansats, som omfattar sömlös integration av hårdvara och mjukvarukomponenter. Företaget driver för närvarande en treårig, 5 miljoner dollar global tävling kallad XPRIZE Quantum Applications för att främja fältet för kvantalgoritmer.

Med ett börsvärde på 2,2 biljoner dollar handlas Googles aktier till 177,08 dollar, upp 26,88 % hittills i år. Företaget har en EPS (TTM) på 6,52, ett P/E (TTM) på 27,18 och en utdelningsavkastning på 0,45 %. För Q1 2024 rapporterade företaget intäkter på 80,5 miljarder dollar, upp 15 % år‑till‑år, medan rörelsemarginalen ökade till 32 %.

#2. Dell 

Detta teknikföretag har också börjat ta konkreta steg inom kvantdatorer. Nyligen introducerade Dell en hybrid klassisk/kvantplattform utvecklad med IonQ. De meddelade också ett samarbete med Aramco för att utforska framsteg inom kvantdatorer, AI och edge‑computing. Tillsammans syftar Aramco och Dell till att lösa komplexa utmaningar inom energiföroptimering, vädermodellering, materialvetenskap och prediktivt underhåll genom kvantdatorer. 

Enligt Dell Technologies (DELL ) Ireland MD Catherine Doyle kommer kvantdatorer också att hjälpa AI‑framsteg när den “blir sammanflätad inom en snar framtid.”

Med ett börsvärde på 100,74 miljarder dollar handlas Dell-aktier för närvarande till 144,50 dollar, upp 85,66 % hittills i år. Företaget har en EPS (TTM) på 4,36, ett P/E (TTM) på 32,55 och en utdelningsavkastning på 1,25 %. För Q1 2024 rapporterade företaget intäkter på 22,2 miljarder dollar och en nettovinst på 60 miljoner dollar.

Slutsats

Kvantdatorer har varit ett växande intresseområde för forskare, organisationer och regeringar. På grund av dess förmåga att erbjuda hög hastighet, förbättrad säkerhet, större effektivitet, exakt simulering och förbättrad analys är det logiskt att det har skett ett ökat fokus tillsammans med fortsatt forskning och investeringar, vilket kan leda till att kvantdatorer äntligen blir en verklighet och hittar sina tillämpningar över sektorer.

Klicka här för att lära dig om den aktuella statusen för kvantdatorer.