Caltech skalar upp neutrala atom‑qubitar till 6 100 med tweezers

Det har gått ungefär fyra decennier sedan optiska tweezers utvecklades, och de fortsätter att revolutionera fysik, biologi och medicin än idag.

Optiska tweezers är ett anmärkningsvärt verktyg som kan plocka upp och flytta mikroskopiska föremål, såsom celler, atomer, molekyler och droppar, utan att röra dem. 

Dessa verktyg använder fokuserade laser för att manipulera föremål. Genom att använda en starkt fokuserad ljusstråle, kan de hålla mikroskopiska och submikroskopiska partiklar stabila i tre dimensioner.

Strålen fokuseras av ett högkvalitativt mikroskop till en punkt, vilket skapar en ‘optisk fälla’ som håller en partikel. Denna partikel upplever krafter bestående av spridningsljus och gradientkrafter på grund av dess interaktion med ljuset.

Utvecklad av den amerikanske fysikern Arthur Ashkin år 1986, som fick Nobelpriset i fysik för detta år 2018, gör optiska tweezers det möjligt för forskare att studera enskilda bakterier, en spermiecell, DNA-strängar, interaktionen mellan enskilda partiklar och ljus, och mycket mer.

Idag utgör dessa vetenskapliga instrument grunden för många ledande experiment inom simulering och kvantdatorer. 

Till exempel har forskare från Institutionen för experimentell fysik och Institutet för kvantoptik och kvantinformation (IQOQI) nyligen fångat enskilda erbiumatomer¹ i optiska tweezers-arrayer för första gången, vilket utökar användningen av dessa verktyg bortom enkla system till mer komplexa kvantexperiment.

Denna typ av experiment, som fångar tiotals till hundratals atomära qubitar, har nyligen uppnått arrayer med omkring tusen atomer.

Att skala detta till tusentals atomära qubitar med låg förlust, långa koherenstider och högfidelitetsavbildning, vilket är kritiskt för att göra framsteg inom kvantfelkorrigering, men, har varit en stor utmaning.
Sväng för att rulla →

Detta har dock nu experimentellt demonstrerats av Caltech-forskare. De har framgångsrikt fångat 6 100 neutrala atomer i ungefär 12 000 platser med en array av optiska tweezers. Samtidigt överträffade de den “state-of-the-art-prestanda för flera metrik som ligger till grund för plattformens framgång,” noterade teamet.

Forskarna demonstrerade en koherenstid på 12,6(1) sekunder, vilket är ett rekord för hyperfina qubitar i en optisk tweezersarray. Varar i ungefär 23 minuter, uppnådde de en rekordhög avbildningsöverlevnad på 99,98952(1)% med en avbildningsfidelitet på över 99,99%. 

Enligt teamet tyder dessa resultat på att universell kvantdator snart kan bli en verklighet. 

Varför felkorrigering dominerar kvantdatorns färdplan

Kvantberäkning har fångat intresset hos forskare och företag världen över. 

Enligt analytiker på BofA förväntas kvantberäkningsmarknaden nå ett värde på cirka 4 miljarder dollar i början av nästa decennium. 

“Löftet om kvantdatorer är verkligt,” sade analytikerna i ett meddelande till kunder, och tillade att det fortfarande finns flera hinder för teknikens tillväxt, och när dessa övervinns, “förväntar vi oss en mycket mer betydelsefull vändpunkt i intäkterna.”

Förespråkare för kvantdatorer framhäver dess potential att omvandla finans, sjukvård, logistik, cybersäkerhet, materialvetenskap och artificiell intelligens. 

Precis den här veckan meddelade HSBC Holdings att de har uppnått ett världsprång i att använda kvantdatorer på finansmarknaderna. Den i London baserade banken använde IBMs Heron-kvantprocessor i obligationshandel, vilket gav en 34 % förbättring i förutsägelsen av sannolikheten att en obligation handlas till ett visst pris. 

Kvantbearbetning tillämpades på en anonymiserad uppsättning europeiska obligationshandelsdata, där den visade förmågan att avsevärt förbättra marknadens effektivitet.

Praktiska tillämpningar av kvantteknik i andra sektorer är ännu inte fast etablerade, även om kritiker hävdar att kvantdatorrevolutionen inte bara är långt borta, utan också begränsad.

Till exempel släppte Google sent förra året en ny chip kallad Willow som den sade markerar ett stort genombrott inom kvantdatorfältet, men noterade att benchmarken som används för att mäta dess prestanda har “inga kända tillämpningar i verkligheten.²“ 

Ändå uppskattar McKinsey att värdet på kvantteknikmarknaden kan stiga till så mycket som 100 miljarder dollar inom ett decennium.

Dessa siffror baseras på förväntningen att vissa problem inte kan lösas av klassiska datorer men enkelt kan hanteras av kvantdatorer, vilket hjälper oss att förstå och manipulera andra kvantsystem. 

Dock står kvantdatorer för närvarande inför betydande utmaningar vad gäller decoherens, vilket gör qubitar ömtåliga och benägna till fel. Detta, i sin tur, gör den kostsamma feltoleransen kritisk för pålitlig kvantdator.

Qubits eller kvantbitar är motsvarande bitar i klassiska datorer. Men medan klassiska bitar alltid är antingen ett eller noll, kan kvantbitar vara båda samtidigt tills deras tillstånd mäts, och tillstånden för flera qubitar kan också vara intrasslade. 

Dessa två fenomen, superposition (förmågan för en qubit att existera i flera tillstånd samtidigt) och intrassling (förmågan för qubitar att vara länkade och dela samma tillstånd oavsett avstånd), ger kvantdatorer kapaciteter som klassiska datorer inte har.

Båda dessa är dock mycket ömtåliga tillstånd som lätt kan förstöras av den minsta interaktion med omgivningen.

Från elektromagnetisk interferens till temperaturförändringar kan miljöfaktorer kollapsa dessa egenskaper, vilket leder till felaktiga resultat. Så, är denna ömtålighet ett av de största hindren för skalbar och kraftfull kvantdator, och därmed, en stor mängd forskning inom området är fokuserad på kvantfelkorrigering (QEC).

Ett av sätten forskare kompenserar för qubits ömtålighet och korrigerar fel genom att bygga kvantdatorer med extra, redundanta qubitar. Detta betyder att en robust kvantdator kommer att ha hundratusentals qubitar.

Caltechs rekordbrytande neutralatom-array balanserar kvantitet & kvalitet

Arbetar mot bygga en kvantdator med många qubitar för att korrigera eventuella fel, har ett forskarlag vid Caltech satt ett rekord genom att skapa den största qubit-arrayen som någonsin har byggts.

Totalt 6 100 neutralatom-qubitar har begränsats i ett rutnät med hjälp av laser. Tidigare innehöll denna typ av array endast hundratals qubitar.

Publicerad i Nature, studien med titeln “En tweezersarray med 6100 högkoherenta atomära qubitar³” beskriver milstolpen, som använde neutrala atomer. 

Neutrala atomer är atomer utan nettoladdning. Så är antalet protoner detsamma som antalet elektroner. 

Genom att utnyttja deras interna energinivåer kan forskare använda neutrala atomer som qubitar. Energinnivåer kan kontrolleras och manipuleras med hjälp av laser och magnetfält för att utföra specifika operationer.

Eftersom de är neutrala interagerar atomerna inte starkt med varandra, vilket gör det möjligt att fånga stora arrayer av atomer och möjliggör konstruktionen av storskaliga kvantprocessorer. Dessutom uppvisar neutrala atomer långa koherenstider, en annan faktor som gör dem fördelaktiga för kvantberäkning.

Men, naturligtvis, finns det utmaningar när det gäller behovet av exakt kontroll över fångst, kylning och manipulation.

“Detta är ett spännande ögonblick för neutralatom-kvantberäkning. Vi kan nu se en väg mot stora felkorrigerade kvantdatorer. Byggstenarna är på plats.”

– Huvudundersökare för forskningen, Manuel Endres & en professor i fysik vid Caltech

Ledd av Caltechs doktorander Hannah Manetsch, Gyohei Nomura och Elie Bataille använde studien optiska tweezers för att fånga tusentals enskilda cesium (Cs) atomer i ett rutnät. 

För att bygga atomarrayen delade de en laserstråle i 12 000 tweezers, som höll totalt 6 100 atomer i en vakuumkammare. “På skärmen kan vi faktiskt se varje qubit som en ljuspunkt,” sade Manetsch. “Det är en slående bild av kvantmaskinvara i stor skala.”

Även om teamet lyckades sätta ett nytt rekord i skala, kom denna kvantitet inte på bekostnad av kvalitet, då de även uppnådde långa koherenstider.

Teamet kunde hålla dessa qubitar i superposition i ungefär 13 sekunder, vilket är cirka tio gånger längre än vad liknande arrayer tidigare uppnått. Dessutom kunde de manipulera enskilda qubitar med en noggrannhet så hög som 99,98%.

Enligt Nomura:

“Storskaligt, med fler atomer, anses ofta komma på kostnad av noggrannhet, men våra resultat visar att vi kan göra båda. Qubits är inte användbara utan kvalitet. Nu har vi både kvantitet och kvalitet.”

Dessutom visade teamet att de kan flytta atomerna hundratals mikrometer (μm) över arrayen samtidigt som de behåller superposition. Tänk på det som att balansera ett glas vatten medan du springer.

“Att försöka hålla en atom medan den rör sig är som att försöka inte låta glaset med vatten välta över. Att också försöka hålla atomen i ett superpositionstillstånd är som att vara försiktig så att man inte springer så snabbt att vattnet stänker över.”

– Manetsch

Denna förmåga är en nyckelfunktion hos neutralatom-kvantdatorer, eftersom den möjliggör mer effektiv felkorrigering jämfört med supraledande qubitar.

Forskningen visar att neutrala atomer är en stark kandidat för att hjälpa oss implementera kvantfelkorrigering i skala med tusentals fysiska qubitar, vilket är nästa stora framsteg för fältet.

“Kvantdatorer måste koda information på ett sätt som är tolerant mot fel, så att vi faktiskt kan göra värdefulla beräkningar. Till skillnad från klassiska datorer kan qubitar inte helt enkelt kopieras på grund av den så kallade ingen-klonings-satsen, så felkorrigering måste förlita sig på mer subtila strategier.”

– Bataille

Med det uppnådda superpositionstillståndet, som spelar en avgörande roll i informationsbehandling och lagring, kommer teamet nu att arbeta med intrassling, där de kommer att koppla qubitarna i sin array så att partiklarna beter sig som en. 

Genom att uppnå intrasslingstillståndet kommer kvantdatorer kunna utföra fullständiga kvantberäkningar och simuleringar. Genom att utnyttja intrassling kommer forskare också kunna göra nya vetenskapliga upptäckter.

“Det är spännande att vi skapar maskiner som hjälper oss att lära oss om universum på sätt som bara kvantmekanik kan lära oss.”

– Manetsch

Nya felundertryckande arkitekturer & hyperintrasslingsresultat

Endres och hans team har arbetat med kvantdatorer under en lång tid nu. Han är specialiserad på att kontrollera enskilda atomer med optiska tweezers för att studera grundläggande egenskaper hos kvantsystem. 

Förutom det rekordbrytande kvantsystemet som kontrollerar över 6 000 enskilda atomer, har hans teams experiment lett till nya tekniker för att radera fel i kvantmaskiner och en ny enhet som kan leverera världens mest precisa klockor.

I maj i år, de publicerade en studie⁴ som tar itu med problemet med atomers skakande rörelse, vilket gör det svårt att kontrollera systemet. Vad de har gjort är att de har använt själva problemet för att koda kvantinformation.

“Vi visar att atomrörelse, som vanligtvis behandlas som en källa till oönskat brus i kvantsystem, kan omvandlas till en styrka.”

Studiets medförfattare, Adam Shaw

Deras experiment kodade kvantinformation i atomernas rörelse och ledde till ett tillstånd av hyperintrassling.

Detta innebär att de individuella elektroniska tillstånden och rörelsetillstånden hos de hyperintrasslade atomparen var korrelerade. Deras demonstration, den första av hyperintrassling i massiva partiklar som neutrala atomer eller joner, antyder dessutom att ännu fler egenskaper kan intrasslas samtidigt.

“Detta låter oss koda mer kvantinformation per atom,” sade Endres. “Du får mer intrassling med färre resurser.”

För sina experiment kylde de ner en array av enskilda alkalijordneutrala atomer som fångats i optiska tweezers, och demonstrerade en ny form av kylning via “detektion och efterföljande aktiv korrigering av termiska rörelseexcitationer”.

Teamet är i princip som mäter rörelsen hos varje atom och sedan, beroende på resultatet, applicerar en operation atom för atom.

Tekniken fick atomerna att nästan stå helt stilla. Atomerna inducerades sedan att oscillera med en amplitud på 100 nanometer, vilket exciterade dem till två distinkta oscillationer samtidigt, vilket fick rörelsen att vara i det superpositionstillstånd. 

De enskilda atomerna intrasslades sedan med partneratomer, som ytterligare hyperintrasslades för att korrelera atomernas rörelse och elektroniska tillstånd.

“I grund och botten var målet här att tänja på gränserna för hur mycket vi kunde kontrollera dessa atomer. Vi bygger i princip en verktygslåda: Vi visste hur man kontrollerar elektronerna inom en atom, och vi har nu lärt oss hur man kontrollerar atomens yttre rörelse som helhet. Det är som en atomleksak som du har helt bemästrat.”

– Endres

I en annan studie från Caltech, ett team av forskare baserade vid Caltech Center for Quantum Computing på universitetets campus demonstrerade en ny kvantchiparkitektur⁵ utformad för att undertrycka fel. 

“För att kvantdatorer ska lyckas, behöver vi felräntor som är ungefär en miljard gånger bättre än de är idag,” sade Oskar Painter, chef för kvantmaskinvara på AWS och professor i fysik vid Caltech. Medan felräntorna minskar sker det i en långsam takt, “ungefär en faktor två varannan år,” så för att påskynda processen utvecklar de en ny chiparkitektur, även om den är “ett tidigt byggblock.”

Forskarna använder cat-qubitar, som har avsevärt minskat bit-flip-fel, med phase-flip-fel som de enda kvarvarande att korrigera. Detta betyder att forskarna kan använda en repetitionskod. I deras nya chip kallad Ocelot, betyder en klassisk repetitionskod inte behov av så många qubitar för att korrigera fel.

“Vi har demonstrerat en mer skalbar arkitektur som kan minska antalet extra qubitar som behövs för felkorrigering med upp till 90 procent.“

– Fernando Brandão, en professor i teoretisk fysik vid Caltech och direktör för tillämpad vetenskap på AWS

För att uppnå detta kombinerar Ocelot-chippet fem cat-qubitar, speciella buffercirklar för att stabilisera deras oscillation, och fyra stödjande qubitar för att upptäcka fasfel. Repetitionskoden har visat sig effektiv för att fånga phase-flip-fel, vilket förbättras när koden ökas från tre till fem cat-qubitar.

Investera i kvantteknik

Nu är en av de renaste kvantdatoraktörerna på marknaden är IonQ (IONQ ), som tar den fångade-jon-ansatsen för att göra teknologin till verklighet. Vad som verkligen gör den utmärker sig är de högfidelitetsgate, integration med stora molnplattformar, aggressiva förvärv och stark patenttillväxt, även om skalningskostnader presenterar en stor utmaning.

IonQ (IONQ )

Grundat för ett decennium sedan baserat på år av forskning vid University of Maryland och Duke University, utvecklar IonQ fångade-jon kvantdatorer. mål med företaget är att föra denna teknik till kommersiella, industriella och akademiska tillämpningar. 

För detta är företaget fokuserat på joniserade atomer, vilka de tror kan göra deras datorer kapabla att utföra mer sofistikerade beräkningar längre och med färre fel.

Just den här månaden, IonQ påstod att ha uppnått över 99,9 % två-qubit-gatefidelitet på sina bariumutvecklingsplattformar, vilket för dem närmare deras kommersiella system, IonQ Tempo.

Detta milstolpe “markerar en kritisk tröskel för företagsklassade system,” sade IonQs SVP för teknik och ingenjörskonst, Dean Kassmann, och påpekade att “ju bättre den inhemska gate-fideliteten är, desto mindre felkorrigering i alla former krävs. Högre fidelitet är också avgörande för snabbare, mer exakta kvantapplikationer.”

Användningen av bariumjoner som qubitar är ett skifte från ytterbiumjoner som företaget arbetade med under större delen av sin historia. Bariumjoner har valts för deras ökade gatehastigheter, högre inhemska fidelitetsgräns, bättre stabilitet, lägre fel vid tillståndsförberedelse/mätning (SPAM), och överlägsen total prestanda. 

IonQ har också en robust portfölj av patent som nu har överstigit 1 000, vilket de säger placerar företaget för att utveckla skalbara, högpresterande, kostnadseffektiva system, och påskyndar deras tidslinje för en oöverträffad kommersiell kvantfördel.

Från och med 29 september 2025 stängde IONQ på $64,26 (rekordhögt $75,14 den 23 september 2025). Det är cirka 7,4 gånger över $8,74 stängningskurs den 30 september 2024. Årets prestation varierar beroende på källa men ligger grovt sett på ~+50–90 %. Marknadsvärdet är ungefär $20–22 Mrd.

Företaget har ett EPS (TTM) på -2,02 och ett P/E (TTM) på -33,35.

När det gäller dess finanser rapporterade IonQ $20,7 miljoner i intäkter för andra kvartalet som avslutades den 30 juni, 2025. Nettförlusten var $177,5 miljoner. Kassa, likvida medel och investeringar vid slutet av perioden var $656,8 miljoner.

Under detta kvartal stärkte företaget sin balansräkning genom den största aktieinvesteringen från en enda institution i branschen. IonQ slutförde också förvärvet av kvantinterconnect-företaget Lightsynq och rymdteknikföretaget Capella, och föreslog förvärvet av Oxford Ionics för $1,075 miljarder.

“Kombinationen av IonQs hårdvara- och mjukvarukompetens och Oxfords implementering av ion-fångst-på-chip ger teamet, IP, teknik och drivkraft för att nå 800 logiska qubitar år 2027 och 80 000 logiska qubitar år 2030.”  

– VD Niccolo de Masi

Under det andra kvartalet rapporterade IonQ att de uppnått upp till 20‑gångs hastighetsökning i ett kvantaccelererat beräkningskemiarbetsflöde (för läkemedelsutveckling) i samarbete med AstraZeneca, NVIDIA och AWS.

Senaste IonQ (IONQ) Aktienyheter och Utveckling

Slutsats

Kvantteknik förväntas allmänt att revolutionera industrier genom att lösa komplexa problem. Det rekordbrytande experimentet vid Caltech visar att storskalig, felkorrigerad kvantdator kan komma närmare verkligheten.

Med sådan forskning, tillsammans med nya arkitekturer, framsteg inom material och kommersiella aktörer som påskyndar utvecklingen, kan kvantteknik bli ett universellt verktyg under de kommande åren, vilket möjliggör genombrott inom vetenskap och samhälle.

Klicka här för en lista över de främsta kvantdatorföretagen.

Referenser

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. Publicerad 26 november 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (2024, December 9). Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip. Google Research Blog. Hämtad från 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. Publicerad 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), publicerad 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), publicerad 26 februari 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7