Ny Metasurface Skapar Skalbar Kvantljuskälla

Lösa Kvantljus

Quantum computing har många löften, från att lösa annars omöjliga beräkningar, potentiellt även bryta alla befintliga former av kryptering, till att skapa ultraeffektiva datorer ur ett energiförbrukningsperspektiv.

Om kvantdatorer blev tillräckligt kraftfulla, skulle de kunna revolutionera medicin helt genom omedelbar beräkning av proteiners 3D‑konfiguration, materialvetenskap, klimatmodellering eller till och med träna AI.

Troligen kommer kommunikationen mellan kvantchip och kvantdatorer att ske via den elementära ljuspartikeln: fotoner.

Mer exakt, sammanflätade fotoner, där de interagerar med varandra genom kvanteffekter, även när de är separerade. Särskilt eftersom det nu har bevisats att vi kan använda vanliga optiska fibrer för att överföra kvantdata över minst ett dussintal kilometer.

Att producera sammanflätade fotoner har dock varit en enorm utmaning och hindrar möjligheten att skala upp kvantdatorer till en storlek, pålitlighet och kostnadsnivå där de är användbara.

Alternativ utvecklas, till exempel produktionen av enskilda fotoner från en bristfällig fotonkälla, genom icke‑linjär optik och enkel foton‑teleportering. Att öka ljuskällors effektivitet med erbium är ett annat potentiellt alternativ.

Men i slutändan kan många av dessa lösningar vara för komplexa för att lösa problemet, vilket är anledningen till att ett nyutvecklat metamaterial kan förändra framtiden för kvantdatorer. Denna nanoskaliga komponent, som kan överföra skalbar, låg‑dekoherens kvantinformation till ljus, utvecklades av forskare vid Harvard University och publicerades i den prestigefyllda tidskriften Science¹ under titeln “Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference”.

Kvantljuskällor

För att överföra data mellan en kvantdators underkomponenter och mellan olika kvantdatorer måste kvantdata bevaras. Detta uppnås normalt genom skapandet av sammanflätade partiklar, särskilt fotoner.

Dessa sammanflätade partiklar kommer att replikera varandras tillstånd, även när de är separerade över stora avstånd.

Hittills har forskare inom kvantberäkning främst använt “traditionella” metoder för att generera sammanflätade fotoner. Detta sker antingen genom att låta fotonerna passera genom vågledare på utökade mikrochip eller genom skrymmande enheter byggda av linser, speglar och stråldelare.

Problemet är att dessa system är för stora, komplexa och svåra att producera i tillräckliga mängder för att metoden ska kunna skalas upp till de antal som krävs av ett kvantnätverk.

Ett annat problem är “dekoherens”. Större matematisk komplexitet uppstår när antalet fotoner och därmed antalet qubitar börjar öka.

Varje extra foton introducerar många nya interferensvägar, vilket i en konventionell uppställning skulle kräva ett snabbt växande antal stråldelare och utgångsportar.

Kvantmetasurface

Metamaterial

Metamaterial förändrar strukturen hos ett givet material och ger det andra egenskaper än de grundmaterial som det är gjort av.

Detta uppnås oftast genom att skapa upprepande mönster av exakt form, geometri, storlek, orientering osv. på nanoskalig nivå.

Skapandet av regelbundna mikrostrukturer på ett kontrollerat sätt kan leda till förbättrad prestanda för ett material jämfört med dess grundkomponent. Detta kan påverkas av många olika egenskaper, såsom elektromagnetiska, akustiska, strukturell styrka, termiska osv.

Källa: Science

Detta är vad Harvard-forskarna har skapat, med en ny typ av metasurfaces, platta enheter etsade med nanoskaliga ljusmanipulerande mönster.

“Vi introducerar ett stort teknologiskt försprång när det gäller att lösa skalbarhetsproblemet.

Nu kan vi miniaturisera en hel optisk uppställning till en enda metasurface som är mycket stabil och robust.”

Kerolos M.A. Yousef – avhandlingsstudent vid Harvard

Hur Metasurface Möjliggör Skalbar Kvantljus

Den matematiska komplexiteten hos många fotoner som krävs för komplexa kvantberäkningar kan hanteras med en gren av matematiken som kallas graffteori. Enkelt förklarat använder den punkter och linjer för att representera kopplingar och relationer.

Källa: Science

Medan graffteori används i vissa typer av kvantdatorer och kvantfelkorrigering, har den ännu inte använts i samband med metasurfaces, särskilt i deras design och drift.

Graffteori gjorde det möjligt för forskarna att visuellt bestämma hur fotoner interfererar med varandra och förutsäga deras effekter i experiment.

Ny Foton‑sammanflätningsenhet

Genom att använda graffteori och kommersiella halvledartillverkningstekniker skapade forskarna “kompakta multiportinterferometrar”.

De använde graffteori för att koda både den fysiska designen och de kvantkorrelationer den genererar in i nanostrukturen hos interferometrarna.

“Den erbjuder också nya insikter i förståelsen, designen och tillämpningen av metasurfaces, särskilt för att generera och kontrollera kvantljus. Med graffmetoden blir metasurface‑design och det optiska kvanttillståndet på ett sätt två sidor av samma mynt.”

Neal Sinclair – forskare vid Harvard University

De testade sedan dess prestanda med hjälp av supraledande nanotråddetektorer för att mäta fotonbeteende.

Det bevisade att detta tillvägagångssätt ger många fördelar:

• Designen kräver inga intrikata justeringar, vilket gör tillverkning och installation mycket enklare.
• Den är mycket motståndskraftig mot störningar, med låga optiska förluster.
• Den är enkel att tillverka, vilket gör den mer skalbar och kostnadseffektiv.

Detta arbete fokuserade främst på möjliga tillämpningar inom kvantdatorer.

Det skulle dock också kunna vara användbart för kvantsensorik, eller erbjuda “lab‑på‑ett‑chip”-kapacitet för grundläggande vetenskaplig forskning.

“Jag är entusiastisk över detta tillvägagångssätt, eftersom det kan effektivt skala optiska kvantdatorer och nätverk — vilket länge har varit deras största utmaning jämfört med andra plattformar som supraledare eller atomer,”

Neal Sinclair – forskare vid Harvard University

Investering i Kvantdatorer

Honeywell / Quantinuum

Quantinuum är resultatet av sammanslagningen av Honeywell Quantum Solutions och Cambridge Quantum.

Honeywell förblir företagets majoritetsägare (troligen 52 % ägande) efter en kapitalrunda som värderade det till 5  miljarder dollar. Grundaren Ilyas Khan rapporteras äga cirka 20 % av företaget. Andra aktieägare inkluderar JSR Corporation, Mitsui, Amgen (AMGN ), IBM och JP Morgan.

En potentiell börsintroduktion av Quantinuum i framtiden, eventuellt som en del av en större företagsomstrukturering, uppskattas kunna vara värd upp till 20  miljarder dollar och kan ske mellan 2026 och 2027.

Kvantberäkning är inte den centrala delen av Honeywells verksamhet; den är mer fokuserad på produkter inom flyg- och rymd, automation samt specialkemikalier och material.

Var och en av dessa domäner kan dock dra nytta av kvantberäkning, särskilt beräkningskemi och kvantsäkerhet, vilket potentiellt kan ge Honeywell ett försprång gentemot sina konkurrenter.

Företagets huvudmodell för närvarande är H2, ett fångat‑jon 56‑qubit‑chip med 99,895 % två‑qubit‑gate‑fidelitet.

De nästa tre generationerna, upp till över 1000 qubitar, är redan planerade, med nästa lanseringar schemalagda för 2025, 2027 och 2029.

Källa: Quantinuum

Den senaste versionen, kallad Apollo, skulle vara genombrottet som möjliggör otaliga kommersiella tillämpningar med kvantdatorer.

Sammanfattningsvis, genom en kombination av framsteg i hårdvaruförberedelse och QEC, har vi sikte på Apollo i slutet av årtiondet, ett fullt fel‑tolerant kvantfördelaktigt system. Detta kommer att bli en kommersiell vändpunkt: som inleder en era av vetenskapliga upptäckter inom fysik, material, kemi och mer.

Företaget har strävat efter högkvalitativ beräkning med mycket få fel, snarare än att lägga till så många felbenägna qubitar som möjligt, vilket skapar det så kallade “fel‑toleranta kvantberäkning”.

Detta tillvägagångssätt benämns av företaget “Bättre qubitar, bättre resultat”, där ett liknande antal qubitar uppnår 100‑1000‑gånger mer pålitliga resultat.

Källa: Quantinuum

Detta kan avsevärt göra skillnad i det akut behövda kvantresistenta kryptografin, med försvarsföretaget Thales (HO.PA -0,96 %) redan samarbetande med Quantinuum samt de internationella bankerna HSBC och JP Morgan.

Quantinuum erbjuder också sin proprietära kvantberäkningskemi InQuanto, som kan användas för läkemedel, materialvetenskap, kemikalier, energi och rymdapplikationer.

Som många andra kvantdatorföretag erbjuder Quantinuum Helios, en “hardware‑as‑a‑service”, som låter användare dra nytta av kvantdatorer utan att behöva hantera systemets komplexitet själva.

Quantinuum skrev i november 2024 ett partnerskap med det tyska företaget Infineon, Europas största halvledartillverkare. Infineon kommer att bidra med sin integrerade fotonik och kontroll‑elektronik för att hjälpa till att skapa nästa generation av fångade‑jon‑kvantdatorer.

När integrerad fotonik närmar sig praktiska användningsfall är det nu tydligt hur viktig detta partnerskap kan vara för Quantinuums framtid. För närvarande verkar nästa steg för företaget vara att släppa världens första AI‑inriktade fotonik‑kvant‑chip.

Under de kommande månaderna kommer Quantinuum att dela resultat från pågående samarbeten, som visar den banbrytande potentialen i kvantdrivna framsteg inom generativ AI.

Den innovativa Gen QAI‑kapaciteten kommer att förbättra och påskynda användningen av metallorganiska ramverk för läkemedelsleverans, vilket banar väg för mer effektiva och personliga behandlingsalternativ, med detaljer som avslöjas vid lanseringen av Helios.

Quantinuum tillkännager generativ kvant‑AI‑genombrott med enorm kommersiell potential

Meddelandet i denna publikation är en del av en rad nyheter relaterade till den snabba utvecklingen av AI‑kvantdator‑kopplingen som gjorts på Quantinuum.

Fler pågående användningsfall kan starkt öka företagets framtida värde, och därmed Honeywells andel i det, samt den potentiella vinst som investerare kan göra.

Du kan också läsa vår kompletta rapport om Honeywells kärnverksamhet inom sensorer, flygdelar och avancerade material, förutom dess engagemang i Quantinuum

Senaste Honeywell (HON) Aktnyheter och Utveckling

Studie Refererad

^{1. Kerolos M. A. Yousef, Marco D’Alessandro, Matthew Yeh, Neil Sinclair, Marko Loncar, and Federico Capasso. Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference. Science. 24 Jul 2025. Vol 389, Issue 6758 pp. 416-422. DOI: 10.1126/science.adw8404}