Oxford-forskare sänker kvantfel till rekordlåg nivå

Ett växande intresse för kvantteknik har gjort att marknadsstorleken överstiger $1 miljard och förväntas vara värd mer än $170 miljarder år 2040. Enligt McKinsey kan kvantteknik skapa biljoner dollar i värde under det kommande decenniet. 

I kvantteknikens ekosystem har kvantdatorer i synnerhet enorm potential. Det innebär användning av kvantmekanik, som helt enkelt behandlar materiens och energins beteende på atom- och subatomär nivå, för att lösa komplexa problem. 

Kvantdatorer förväntas ha en djupgående inverkan inom olika områden, inklusive teknik, forskning, vetenskap, finans och ekonomi.

Till skillnad från klassiska datorer, såsom våra bärbara datorer, som lagrar och bearbetar information i bitar där varje bit är en nolla eller ett ett, är den grundläggande enheten i kvantdatorer en qubit. Ett kvantchip består av många kvantbitar, eller qubitar, som vanligtvis är subatomära partiklar såsom elektroner eller fotoner, manipulerade och kontrollerade av speciellt designade elektriska och magnetiska fält.

Qubitarna kan vara i tillståndet nolla, ett, eller en kombination av båda. Kombinationen, kallad ett “superpositions-tillstånd”, är en särskild egenskap som gör att kvantdatorer kan lagra och bearbeta extremt stora datamängder mycket snabbare än även de mest kraftfulla klassiska datorerna.

Nu finns det många olika sätt att skapa dessa qubitar, såsom att använda halvledare, fotonik, supraledande enheter och andra metoder.

Kvaliteten på qubitarna är av stor betydelse här. De är dock känsliga för fel eller brus, vilket är oönskade störningar som kan komma från många källor. Dessa källor kan inkludera temperaturförändringar, brister i tillverkningsprocessen och interaktioner med qubitens omgivning, bland annat.

Dessa fel minskar en qubits pålitlighet, vilket kallas för fidelity. En qubit med hög fidelity är avgörande för att ett kvantchip ska kunna utföra komplexa uppgifter.

Göra kvantpålitlighet till verklighet

Under de senaste decennierna har forskare arbetat med logiska qubitar, vilket avser qubitar som kodas med hjälp av en samling fysiska qubitar för att skydda mot fel. Medan fysiska qubitar representerar den faktiska kvantmaskinvaran, är en logisk qubit en abstraktion som efterliknar en feltolerant qubit.

Stora utvecklare av kvantchips har skiftat fokus till logiska qubitar och gör betydande framsteg inom kvantfelkorrigering.

Till exempel, i dec. 2024, Google (GOOG )  avslöjade sitt kvantchip kallat Willow. Detta nya chip, baserat på supraledande qubitar, har hyllats som ett stort genombrott inom kvantdatorfältet, även om det för närvarande saknar verkliga tillämpningar.

Vanligtvis, ju fler qubitar som används, desto fler fel uppstår, och systemet blir klassiskt. Dock demonstrerade Google demonstrerade¹ att ju fler qubitar de använde i Willow, desto färre fel de reducerade, och desto mer kvantmässigt systemet blev. 

Techjätten lyckades minska fel “exponentiellt” genom att skala upp antalet qubitar, sade Hartmut Neven, grundare av Google Quantum AI. Detta “löser en nyckelutmaning i kvantfelkorrigering som fältet har eftersträvat i nästan 30 år,” tillade han.

För att mäta Willows prestanda använde Google standarden random circuit sampling (RCS). Dess kvantchip utförde en beräkning på mindre än fem minuter som skulle ta en superdator 10 septiljoner år.

I feb. i år, Microsoft (MSFT ) också avslöjade världens första kvantprocessor som drivs av topologiska qubitar. Majorana 1 är designad för att skala till en miljon qubitar på ett enda chip. Med denna prestation sade teknikjätten att de är på väg att bygga en prototyp av en skalbar, feltolerant kvantdator inom bara några år.

Grunden för Majorana 1 är genombrottet som teamet gjort, specifikt topokonduktorn, en materialklass som möjliggjorde skapandet av topologisk supraledning. Detta är resultatet av att tillverka en enhet som kombinerar aluminium (en supraledare) och indiumarsenid (en halvledare).

När denna enhet kyls ner till nästan noll och sedan justeras med magnetfält, bildas topologiska supraledande nanotrådar, där ändarna av trådarna innehåller Majorana Zero Modes (MZMs) som fungerar som byggstenar för deras qubitar.

För att låsa upp kvantens löfte har teamet redan placerat åtta topologiska qubitar på ett chip designat för att rymma en miljon.

Till och med Amazon har annonserat sitt kvantchip kallat ‘Ocelot’ som använder en skalbar arkitektur för att minska felkorrigering med så mycket som 90%. 

Chipet består av två integrerade kiselmikrochips, vardera med en yta på ungefär en kvadratcentimeter, bundna ovanpå varandra i en elektriskt ansluten chipstack. Varje mikrochips yta har tunna lager av supraledande material, som bildar kvantkretskomponenterna.

Det finns totalt 14 huvudkomponenter som utgör Ocelot-chipet, inklusive fem datakubitar (cat qubits), ytterligare fem för att stabilisera datakubitarna, och fyra ytterligare kubitar för att upptäcka fel på datakubitarna.

Cat-qubitarna lagrar de kvanttillstånden, för vilka de förlitar sig på oscillatorer, som är gjorda av en tunn film av tantal och stadigt producerar en repetitiv elektrisk signal. 

“Med de senaste framstegen inom kvantforskning är det inte längre en fråga om om, utan när praktiska, feltoleranta kvantdatorer kommer att vara tillgängliga för verkliga tillämpningar. Ocelot är ett viktigt steg på den resan.”

– Oskar Painter, AWS-direktör för kvantmaskinvara.

Det tros att Ocelot-arkitekturen påskyndar deras “tidslinje till en praktisk kvantdator med upp till fem år.”

Kapplöpningen mot feltoleranta kvantsystem

Att förbättra noggrannheten i kvantberäkningar är fokus för både företag och forskare världen över, och betydande framsteg har gjorts här.

För bara ett par år sedan visade MIT-forskare upp ett nytt supraledande qubit-ramverk som kan utföra operationer mellan qubitar med stor noggrannhet. Den nya typen av supraledande qubit är fluxonium, som kan ha en livslängd, eller koherenstider, mycket längre än de som vanligtvis används. 

Koherenstid är ett mått på hur länge en qubit kan utföra operationer innan all information i qubiten går förlorad.

“Ju längre en qubit lever, desto högre fidelity har de operationer den tenderar att främja.”

– Huvudförfattare, Leon Ding

Arkitekturen involverade under tiden ett speciellt kopplingselement mellan två fluxonium-qubitar, vilket möjliggjorde att de kunde utföra logiska operationer, kända som grindar, med hög noggrannhet. Den undertrycker bakgrundsbrus som kan föra in fel i kvantoperationer.

Noggrannheten för två-qubit-grindar översteg 99,9% medan enkel-qubit-grindar hade 99,99%. Arkitekturen implementerades under tiden på ett chip med en utbyggbar tillverkningsprocess.

“Att bygga en storskalig kvantdator börjar med robusta qubitar och grindar,” och studien visade ett mycket lovande två-qubit-system, sade Ding. Fluxonium-qubitarna uppnådde koherenstider på mer än en millisekund. Deras nästa steg har varit att öka antalet qubitar.

För ett par månader sedan visade MIT-forskare också upp en supraledande kvantkrets som uppnådde en stark icke-linjär koppling mellan fotoner (mikrovågsljus) och artificiella atomer (qubitar). Den skulle kunna möjliggöra avläsning och bearbetning av kvantinformation på några nanosekunder.

För detta använde forskarna ett unikt supraledande kretsramverk för att visa icke-linjär ljus-materia-koppling, som är betydligt starkare än tidigare observerad och kan möjliggöra att en kvantprocessor arbetar upp till 10 gånger snabbare.

“Detta skulle verkligen eliminera en av flaskhalsarna i kvantdatorer. Vanligtvis måste du mäta resultaten av dina beräkningar mellan rundor av felkorrigering. Detta kan påskynda hur snabbt vi kan nå den feltoleranta kvantdatorstadiet och kunna få verkliga tillämpningar och värde ur våra kvantdatorer.”

Noterbart har Ye uppfunnit en ny typ av kvantkopplare för att underlätta interaktioner mellan qubitar. Quarton-kopplaren är en speciell typ av supraledande krets som kan generera extremt stark icke-linjär koppling, och genom att föra in mer ström i den skapar kopplaren en ännu starkare icke-linjär interaktion. Ye förklarade:

“De flesta användbara interaktionerna i kvantdatorer kommer från icke-linjär koppling av ljus och materia. Om du kan få ett mer mångsidigt spektrum av olika typer av koppling, och öka kopplingsstyrkan, kan du i princip öka bearbetningshastigheten hos kvantdatorn.” 

Med detta arbete hoppas forskarna att andra ska kunna bygga en feltolerant kvantdator för praktisk, storskalig kvantberäkning.

Innovationer av SQMS Nanofabrication Taskforce har under tiden uppnått² koherenstider på upp till 0,6 millisekunder, vilket var resultatet av optimerad qubitdesign och förbättrade läsresonatorer, vilka båda förbättrade stabiliteten och koherensen. 

Detta samarbete mellan National Institute of Standards and Technology (NIST), Fermilabs Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center, och flera andra statliga, universitets- och industripartners syftar till att föra kvantforskning närmare verkligheten. 

Mitt i alla dessa initiativ för att bygga skalbara, feltoleranta kvantdatorer har fysiker vid University of Oxford satt ett nytt världsrekord för qubit‑operatörernas noggrannhet.

Sätta en ny global referens för kvantnoggrannhet

Den nya studien, publicerad i Physical Review Letters³, visar att Oxford-fysiker har uppnått en felrate på endast 0,000015 % för en enskild kvantlogikoperation. 

Det betyder ett fel i 6,7 miljoner operationer, vilket är ett nytt rekord för qubit‑operatörernas noggrannhet och ett stort steg mot att ha mer robusta och användbara kvantdatorer för att lösa mycket komplexa problem med färre fysiska qubitar och minskade infrastrukturskrav.

“Såvitt vi vet är detta den mest exakta qubit‑operationen som någonsin har registrerats någonstans i världen. Det är ett viktigt steg mot att bygga praktiska kvantdatorer som kan tackla verkliga problem.” 

– Studien medförfattare, professor David Lucas, institutionen för fysik, University of Oxford

Det intressanta är att detta genombrott slår det tidigare rekordet som sattes av samma team. Det nya rekordet är ungefär sju gånger mer exakt än deras tidigare.

För drygt ett decennium sedan, teamet implementerade⁴ alla enkel‑qubit‑operationer med fidelity långt över det minsta tröskelvärde som krävs för feltolerant kvantdator, med hjälp av en fångad‑jon‑qubit som lagrades i hyperfina “atomklock‑”tillstånd. Vid den tiden var deras enkel‑qubit‑felrate 1 på 1 miljon. 

Denna framgång ledde till lanseringen av spinoff-företaget Oxford Ionics år 2019, som har blivit en ledare inom högpresterande fångade‑jon‑qubit‑plattformar. I maj 2025, det redogjorde för tre kortsiktiga utvecklingsfaser: ‘Foundation’, ‘Enterprise‑grade’, och ‘Value at scale’, för att uppnå brett kommersiellt värde inom de kommande 3 åren och leverera 1 miljon qubit‑enheter. Redan förra veckan gick Oxford Ionics in i ett avtal med IonQ (IONQ ) för att förvärva det för $1.075 miljarder.

Nu har samma team uppnått ett nytt milstolpe i att minska sannolikheten för att kvantlogikgrindar gör fel.

Att utföra användbara beräkningar på en kvantdator kräver att miljontals operationer körs över många qubitar. Men denna skala innebär att en hög felrate kan göra det slutliga resultatet meningslöst och värdelöst.

Att korrigera felet kan åtgärda misstaget, men det kräver ännu fler qubitar. Så genom att minska felet minskar den nya studien antalet qubitar som behövs, vilket i sin tur minskar storleken och kostnaden för kvantdatorn.

“Genom att drastiskt minska risken för fel, minskar detta arbete avsevärt den infrastruktur som krävs för felkorrigering, vilket öppnar vägen för framtida kvantdatorer att bli mindre, snabbare och mer effektiva. Precisionskontroll av qubitar kommer också att vara användbart för andra kvantteknologier såsom klockor och kvantsensorer,” sade studiens medförfattare, Molly Smith, som är doktorand vid Oxford.

För att uppnå den oöverträffade nivån av noggrannhet använde fysikerna en fångad kalciumjon som kvantbit eller qubit.

Kalciumjoner används vanligtvis för att lagra kvantinformations på grund av deras långa koherenstider och höga fidelity i kvantoperationer. De är också mycket robusta och enkla att manipulera med laser.

Oxford-teamet använde dock inte den konventionella lasermetoden; istället använde de elektroniska (mikrovågs) signaler för att kontrollera kvanttillståndet hos kalciumjonerna.

Med denna teknik kunde de uppnå större stabilitet än vad laserstyrning kunde erbjuda. Men det är inte allt. Jämfört med laser är elektronisk kontroll också billigare och mer robust. Den är också enklare att integrera i jon‑fångst‑chips. 

Dessutom genomfördes experimentet utan magnetisk avskärmning och vid rumstemperatur, vilket förenklar de tekniska kraven för en fungerande kvantdator.

Således kunde teamet minska felet med nästan en tiodubbel faktor den här gången genom bättre kontroll av mikrovågsamplitud och avstämning med automatiserade kalibreringsprocedurer. Dessutom bidrog minskad excitation av spektrala övergångar genom större Zeeman-splittringar, samt användning av pulsgestaltning, till detta. 

Den rekordbrytande precisionen är en enorm prestation; dock är den bara en del av en större utmaning. Som teamet påpekade kräver kvantdatorer både enkel‑ och två‑qubit‑grindar som fungerar tillsammans, och två‑qubit‑grindar lider fortfarande av höga felrate.

För närvarande är den bästa felraten omkring 1 på 2000, så för att bygga en fullt feltolerant kvantmaskin måste teamet sänka detta tal.

Hög‑fidelity enkel‑qubit‑operationer har fortfarande många användningsområden både inom kvantinformation och bortom, inklusive skydd av ‘inaktiva’ qubitar via dynamisk avkoppling, i kvantsensor‑applikationer, samt sammansatta pulsssekvenser för att adressera individuella qubitar och kompensera för fel.

Investera i kvantdatorer

International Business Machines Corporation (IBM ), som är känt för sina hybrid‑moln‑ och AI‑plattformar samt konsult‑ och infrastruktur‑tjänster, har utforskat kvantteknik sedan 1970-talet. År 2016 lanserade de IBM Quantum Experience, som placerade den första kvantprocessorn i molnet, vilket i sin tur gjorde den tillgänglig för alla.

IBM (IBM ) 

Under åren har IBM fortsatt sin forskning inom området, och förra veckan meddelade de planer på att ha en praktisk kvantdator klar år 2029.

Den kallade “Starling”, den feltoleranta kvantdatorn med 200 logiska qubitar, kommer att byggas i ett datacenter som är under konstruktion i Poughkeepsie, New York.

Enligt rapporter har teamet utvecklat en ny algoritm som avsevärt minskar antalet qubitar som krävs för felkorrigering. Jay Gambetta, som ansvarar för IBMs kvantinitiativ, sade följande i en intervju:

“Vi har besvarat de vetenskapliga frågorna. Du behöver inget mirakel nu. Nu behöver du en stor ingenjörsutmaning. Det krävs ingen återuppfinning av verktyg eller liknande.”

Om vi tittar på det 257,64 miljarder dollar stora marknadsvärdet, IBMs marknadsprestation, så handlas deras aktier för närvarande till $278, upp 26,11 % år‑till‑datum. IBM‑aktier nådde faktiskt ett historiskt rekord (ATH) på $281,75 bara förra veckan.

Med det är dess EPS (TTM) 5,85 och P/E (TTM) 47,42, medan den erbjudna utdelningsavkastningen är 2,42 %.

När det gäller IBMs finanser rapporterade de en omsättning på $14,5 miljarder för första kvartalet 2025. GAAP bruttovinstmarginal under denna period var 55,2 % medan non‑GAAP rörelsemarginal var 56,6 %. Dess GAAP resultat före skatt marginal var 8 %, och non‑GAAP rörelsemarginal var 12 %.

“Vi överträffade förväntningarna för omsättning, lönsamhet och fritt kassaflöde under kvartalet, drivet av styrka i vår mjukvaruportfölj. Det finns fortsatt stark efterfrågan på generativ AI och vår affärsportfölj uppgår till mer än $6 miljarder sedan starten, upp med mer än $1 miljard under kvartalet.” 

– VD Arvind Krishna

Under första kvartalet i år genererades nettokassa från verksamheten på $4,4 miljarder medan fritt kassaflöde var $2 miljarder. IBM avslutade kvartalet med $17,6 miljarder i kontanter, begränsad kassa och likvida värdepapper.
Den starka likviditetspositionen och solida fria kassaflödet gjorde det möjligt för företaget att återbetala $1,5 miljarder till aktieägarna i form av utdelning. Det investerade också $7,1 miljarder i förvärv, vilket inkluderade köpet av HashiCorp. Enligt Krishna:

“Vi är fortsatt optimistiska kring de långsiktiga tillväxtmöjligheterna för teknik och den globala ekonomin.” 

Senaste nyheter och utvecklingar för International Business Machines Corporation (IBM)

Slutsats: Nästa steg mot kvantverkligheten

Från forskare till företag och regeringar är alla aktivt och djupt engagerade i att göra kvantdatorer till verklighet. De senaste genombrotten av Oxford‑teamet och teknikjättarna förbättrar kvantfidelity dramatiskt och gör felkorrigering mer effektiv, vilket betyder att nästa kvantsprång kanske inte längre är decennier bort, vilket gör praktiska kvantmaskiner oundvikliga!

Klicka här för en lista över de främsta kvantdatorföretagen.

Studier som refereras:

^{1. Google Quantum AI and Collaborators. Quantum Error Correction Below the Surface Code Threshold. Nature 2025, 638 (8016), 920–926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
2. Bal, M.; Crisa, F.; Murthy, A. A.; et al. SQMS Nanofabrication Taskforce: Towards Fabrication of High Coherence Superconducting Qubits. Conference, 20 september 2024. https://doi.org/10.2172/2462792
3. Smith, M. C.; Leu, A. D.; Miyanishi, K.; et al. Single-Qubit Gates with Errors at the 10⁻⁷ Level. Phys. Rev. Lett. 2025, 134, 230601. https://doi.org/10.1103/42w2-6ccy
4. Harty, T. P.; Allcock, D. T. C.; Ballance, C. J.; et al. High-Fidelity Preparation, Gates, Memory, and Readout of a Trapped-Ion Quantum Bit. Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 220501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.220501}