Kvantberäkning uppnår villkorslös exponentiell hastighetsökning

Det som tidigare bara uttrycktes på papper har nu demonstrerats i praktiken. Löftet om kvantberäkning har uppnåtts i verkligheten, när de slår klassiska datorer exponentiellt och villkorslöst¹.

För detta använde ett team av forskare, lett av Daniel Lidar, professor i Electrical & Computing Engineering vid USC Viterbi School of Engineering, smart felkorrigering och de kraftfulla 127‑qubitsprocessorerna från IBM som gjorde det möjligt för dem att tackla en variation av Simons problem, vilket visar att kvantmaskiner nu bryter sig loss från klassiska begränsningar.

Hur kvantberäkning övervinner klassiska begränsningar och brus

I årtionden har klassisk databehandling varit normen. Men under de senaste åren har kvantberäkning genomgått betydande utveckling. 

Ett framväxande område inom datavetenskap, kvantberäkning utnyttjar principerna i kvantteorin (som förklarar materiens och energins natur och beteende på atom- och subatomär nivå) för att dramatiskt öka beräkningshastigheten.

Genom att använda kvantfysik syftar kvantberäkning till att lösa problem som är för komplexa för de klassiska datorerna vi använder dagligen. Faktum är att kvantberäkning kan lösa vissa komplexa simuleringsproblem som skulle ta ett traditionellt superdator hundratusentals år.

Att uppnå ett verkligt algoritmiskt försprång gentemot klassiska datorer är ett av de viktigaste målen för kvantberäkning för att möjliggöra framtida genombrott inom kemi, kryptografi, optimering och andra områden.

Detta kräver dock specialiserad kvantberäkningshårdvara och algoritmer som utnyttjar kvantegenskaper som superposition och sammanflätning. Dessutom är brus ett stort problem för kvantdatorer.

Att bevisa ett algoritmiskt försprång gentemot klassiska datorer på dagens ofullkomliga och brusiga kvantmaskinvara är dessutom en utmaning.

Designer har börjat utforska nya lösningar som NISQ‑maskiner, men dessa brusiga intermediate‑scale quantum (NISQ)‑enheter är funktionella på en relativt liten skala av flera hundra qubits.

De är också benägna att uppleva försämrad prestanda på grund av decoherens (förlust av kvantkoherens, vilket innebär att information från ett system förloras till dess omgivning) och styrfel. 

Så fokuserar man på att påskynda algoritmisk kvantberäkning på dessa enheter, vilket helt enkelt är ett skalningsförsprång. Även om flera sådana demonstrationer har gjorts, så berodde komplexiteten i de valda problemen på antingen svårigheten hos en begränsad uppsättning klassiska algoritmer eller på beräkningskomplexitetsantaganden.

Nyligen visades ett algoritmiskt kvantförsprång som inte förlitar sig på ogrundade antaganden i oracle‑modellen. Detta demonstrerades för en Bernstein‑Vazirani‑algoritm, som observerades när den kördes på en IBM Quantum‑processor med oönskat brus eliminerat genom dynamisk avkoppling (DD), en vanlig felreduceringsteknik för NISQ‑enheter. 

Nu tar forskarteamet från University of Southern California itu med brusproblemet genom att implementera en variation av Simons problem. Detta är ett välkänt exempel där, i teorin, kvantalgoritmer kan lösa en uppgift exponentiellt snabbare än sina klassiska motsvarigheter, villkorslöst.

Simons problem är en föregångare till Shors algoritm, som kan användas för att starta fältet kvantberäkning. 

Det är också ett av de ursprungliga problemen där ett exponentiellt kvantförsprång har bevisats, om än i Oracle‑modellen. Problemet kräver exponentiell tid att lösa på en klassisk dator, men på en brusfri kvantdator tar det bara linjär tid, förutsatt att Oracle‑frågor räknas, men vi tar inte med de resurser som spenderas på att utföra det.

I detta problem involverar den abelska dolda delgruppen identiteten och en hemlig sträng b med målet att bestämma b, alltså i princip att hitta ett dolt återkommande mönster i en matematisk funktion.

Enklare uttryckt är det som ett gissningsspel, där spelarna försöker gissa ett hemligt tal som ingen annan än spelvärden, alias “orakeln”, känner till.

Det hemliga talet avslöjas när en spelare gissar två tal där orakeln ger identiska svar, och den spelaren vinner. Jämfört med klassiska spelare kan kvantspelare vinna detta spel exponentiellt snabbare. 

Uppnå villkorslöst kvantförsprång

För att verkligen kunna upptäcka nya material, knäcka koder och designa nya läkemedel med hjälp av kvantdatorer genom att påskynda beräkningar måste de vara funktionella.

Men som vi nämnde ovan, så hindrar brus eller fel. Fel som uppstår under beräkningar på en kvantmaskin gör att kvantdatorer blir ännu mindre kraftfulla än klassiska datorer. Det var fram till nu.

Lidar från USC har arbetat med kvantfelkorrigering och har visat ett kvantexponentiellt skalningsförsprång över molnet.

Det beskrevs i artikeln ‘Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem’, där Lidar samarbetade med kollegor från USC och Johns Hopkins.

“Det har tidigare funnits demonstrationer av mer blygsamma typer av hastighetsökningar som en polynomisk hastighetsökning. Men en exponentiell hastighetsökning är den mest dramatiska typ av hastighetsökning som vi förväntar oss att se från kvantdatorer.”

– Lidar

Den största genombrottet för kvantberäkning, enligt Lidar, är att demonstrera att vi faktiskt kan köra hela algoritmer med ett skalningsförsprång jämfört med våra vanliga datorer. Men som han klargjorde betyder det inte att man kan göra saker 100 gånger snabbare.

Men vad ett skalningsförsprång betyder är att “när du ökar ett problems storlek genom att inkludera fler variabler, så ökar klyftan mellan kvant‑ och klassisk prestanda. Och ett exponentiellt försprång betyder att prestandaklyftan ungefär fördubblas för varje ytterligare variabel,” förklarade Lidar.

Han påpekade sedan att det försprång teamet har visat är “villkorslöst”. Det betyder att försprånget inte beror på några ogrundade antaganden.

Tidigare påståenden om försprång krävde antagandet att det inte finns någon bättre klassisk algoritm att jämföra den kvantalgoritmen med.

Teamet här använde en algoritm som de modifierade för kvantdatorn för att lösa en variation av “Simons problem”.

För att uppnå det exponentiella försprånget är “nyckeln att pressa ut varje uns av prestanda från hårvaran: kortare kretsar, smartare pulsscheman och statistisk felmitigering,” noterade förstförfattaren Phattharaporn Singkanipa, som är doktorand vid USC.

Teamet uppnådde detta på fyra olika sätt. Forskarna begränsade först dataindatan genom att begränsa antalet tillåtna hemliga tal. Tekniskt görs detta genom att begränsa antalet 1:or i den binära representationen av mängden hemliga tal. Detta ledde till färre kvantlogiska operationer än vad som annars skulle behövas, vilket i sin tur minskade risken för feluppbyggnad.

Sedan komprimerade de de nödvändiga kvantlogiska operationerna genom transpilation, en process där en given inmatning omskrivs för att matcha topologin hos en specifik kvantenhet.

Därefter tillämpades en metod kallad “dynamisk avkoppling” som hade störst inverkan på forskarnas förmåga att demonstrera ett kvantförsprång. Metoden innebär att man applicerar sekvenser av noggrant designade pulser för att separera en qubits beteende från dess brusiga omgivning och hålla den kvanta bearbetningen på rätt kurs.

Till sist använde forskarna mätfelmitigering (MEM) för att hitta och korrigera vissa fel. Syftet med detta steg är att rätta till fel som kvarstod efter dynamisk avkoppling på grund av imperfektioner i mätningen av qubits tillstånd i slutet av algoritmen.

Banar vägen för kvantnytta

Med kvantberäkning som erbjuder betydande fördelar inom områden som logistik, materialvetenskap, finansiell modellering, AI och cybersäkerhet genom att utnyttja kvantmekaniska fenomen för att lösa komplexa problem, ser marknaden betydande bidrag och tillväxt.

Gemenskapen har också börjat visa hur kvantprocessorer kan överträffa sina klassiska motsvarigheter i specifika uppgifter.

“Vårt resultat visar att redan dagens kvantdatorer tydligt befinner sig på sidan av ett skalningsförsprång för kvant,” sade Lidar, som också är professor i kemi och fysik vid USC Dornsife College of Letters, Arts and Science och medgrundare av Quantum Elements, ett företag som banar vägen för kvantnytta i skala och kopplar användare till kvantdatorer.

För ett par månader sedan rapporterade Quantum Elements‑teamet att de uppnått ett genombrott. Deras nya teknik, logisk dynamisk avkoppling, tacklar logiska fel, en ständig utmaning inom kvantberäkning.

Teamet demonstrerade hur denna specifika metod förhindrar fel som traditionella felkorrigeringskoder inte kan hantera, samtidigt som de behåller ett begränsat qubitavtryck.

De kombinerade felkorrigering med logisk dynamisk avkoppling, vilket gjorde att teamet kunde förbättra noggrannheten hos sammanflätade logiska qubits avsevärt, och förde praktiska kvantapplikationer mycket närmare att bli verklighet.

Med den senaste forskningen, sade Lidar, “kvantprestandaförsprånget blir allt svårare att bestrida,” eftersom prestandaskillnaden inte kan vändas eftersom det demonstrerade exponentiella försprånget är “villkorslöst.”

Studien visar ett entydigt algoritmiskt kvantförsprång för en begränsad Hamming‑vikt (HW)‑version av problemet med två olika IBM Quantum‑processorer. Forskarna fann ett förbättrat kvantförsprång när beräkningen skyddas av DD. Användningen av MEM förbättrade ytterligare skalningsförsprånget.

MEM och dynamisk avkoppling användes för felreducering och anpassades för att anpassa problemet till riktiga kvantenheter. De hjälpte till att bibehålla kvantkoherens och förbättra noggrannheten trots hårvarubegränsningar.

Med sina experiment har forskarna fört NISQ‑algoritmer mycket närmare en demonstration av ett kvantförsprång genom Shors algoritm och betonat den nyckelroll som kvantfelreduceringstekniker spelar i en sådan demonstration.

Att demonstrera ett exponentiellt försprång i lösningen av problemet på faktisk kvantmaskinvara, enligt forskarna, är “en viktig milstolpe för fältet.” Förutom att överbrygga klyftan mellan teori och praktik betonar deras resultat också de växande möjligheterna hos nuvarande kvantprocessorer. Studien noterade:

“Allteftersom hårvaran fortsätter att förbättras, banar vårt tillvägagångssätt vägen för ännu kraftfullare demonstrationer av kvantförsprång inom en snar framtid.”

Trots allt detta finns det inga praktiska tillämpningar av teknologin utöver att vinna gissningsspel. Detta har faktiskt också varit sant för andra framsteg inom området.

“Vi behöver ett ChatGPT‑ögonblick för kvant,” sade Francesco Ricciuti, en associate på riskkapitalfirman Runa Capital, till CNBC i december när Google presenterade den nya chippen som de påstod markerar ett stort genombrott inom kvantberäkning.

Googles kvantchip heter Willow, som har 105 qubits och kan enligt uppgift minska fel “exponentiellt” när antalet qubits skalas upp. Detta “löser en nyckelutmaning i kvantfelkorrigering som fältet har jagat i nästan 30 år,” sade Hartmut Neven, grundare av Google Quantum AI.

Willow utförde en beräkning som skulle ta dagens snabbaste superdatorer 10 septiljoner år, på mindre än fem minuter.

“De försöker definiera ett riktigt stort problem för vanliga datorer som de kan lösa med kvantdatorer. Det är fantastiskt att de kan göra det, men det betyder inte riktigt att det är användbart,” sade Ricciuti då.

Till och med Google sade att deras RCS‑benchmark har “inga kända tillämpningar i verkliga världen” och de “vetenskapligt intressanta simuleringarna av kvantsystem,” som de har gjort och som lett till nya vetenskapliga upptäckter är också “fortfarande inom räckhåll för klassiska datorer.”

Tekjättarna arbetar dock med att gå in i området för algoritmer som inte bara ligger utanför klassiska datorers räckhåll utan också är “användbara för verkliga, kommersiellt relevanta problem.”

Tidigare i år sade Julian Kelly, chef för hårvara på Google Quantum AI, att vi kan vara “ungefär fem år från ett riktigt genombrott, en slags praktisk tillämpning som bara kan lösas på en kvantdator.”

Nvidia‑VD Jensen Huang tror också att kvantberäkning kan “leverera extraordinär påverkan,” men påpekade att tekniken är “otroligt komplicerad.”

Enligt Lidar, “mycket mer arbete återstår innan kvantdatorer kan påstås ha löst ett praktiskt verkligt problem.” Detta skulle kräva försprång som inte beror på orakler som redan känner svaret. Dessutom måste vi göra betydande framsteg i metoder för att ytterligare minska decoherens och brus.

Ändå, genom att demonstrera exponentiella försprång, som tidigare bara var ett “på‑papper‑löfte” för kvantdatorer, har forskarna uppnått en viktig milstolpe som är värd att fira.

Investera i kvantteknik

Med kvantdatorer som markerar ett stort språng framåt i beräkningskapacitet utvecklar många laboratorier, universitet, företag och myndigheter runt om i världen kvantberäkningsteknik.

Så när det gäller investeringsmöjligheter har vi Amazon (AMZN ), Intel (INTC ), och Microsoft (MSFT ) bland andra som aktivt utforskar området. Men idag ska vi titta på investeringspotentialen för IBM (IBM ), en pionjär inom kvantmaskinvara. 

International Business Machines Corporation (IBM )

IBMs 127‑qubitsprocessorer användes i USC‑experimentet. Det var i slutet av november 2021 som IBM först presenterade denna processor, kallad Eagle, som följde deras 65‑qubits ‘Hummingbird’‑processor som lanserades 2020 och den 27‑qubits ‘Falcon’‑processor ett år tidigare.

USC är faktiskt ett IBM Quantum Innovation Center, medan Quantum Elements är en startup i IBM Quantum Network.

För fokuserade insatser inom området har företaget en dedikerad plattform, IBM Quantum, som syftar till att bygga den första storskaliga feltoleranta kvantdatorn. Teknikjätten har som mål att leverera ett system som exakt kör 100 miljoner grindar på 200 logiska qubits till år 2029. Med detta system kommer IBM att “öppna den första livskraftiga vägen till att realisera hela kraften i kvantberäkning.”

IBM bygger denna kvantdator som heter “Starling” på sitt campus i New York, och den kommer att stödja en djup, felkorrigerad krets. Enligt deras färdplan planerar företaget också en ny IBM Quantum Nighthawk‑processor som ska släppas senare i år.

Förra månaden installerade de ett Quantum System Two på ett forskningscenter i Japan. Och den här veckan deltog teknikjätten i startupen Qedmas finansieringsrunda på 26 miljoner dollar, med deras VD som förväntar sig att demonstrera i år “med förtroende för att kvantförsprånget är här.” Qedma är redan tillgängligt via IBMs Qiskit Functions Catalog, som gör kvant tillgängligt för slutanvändare.

Trots att de leder kvantteknik är företaget främst känt för sin moln‑, AI‑ och konsultkompetens, som de levererar genom segmenten Software, Consulting och Infrastructure.

Om vi tittar på IBMs marknadsresultat, så handlas företagets aktier, med ett börsvärde på 268,6 miljarder dollar, för närvarande till $289, upp 30,85 % år‑till‑datum. IBMs aktier har haft en fin period med priser upp 145 % de senaste tre åren då de nådde nya toppar, samtidigt som företaget positionerar sig som leverantör av nästa generations företags‑teknik.

Den har ett EPS (TTM) på 5,85, ett P/E‑tal (TTM) på 49,81 och ett ROE (TTM) på 21,95 %. Utdelningsavkastningen för aktieägarna är dessutom en attraktiv 2,31 %.

När det gäller dess finansiella resultat rapporterade IBM en 1 % ökning av intäkterna till $14,5 miljarder för första kvartalet 2025. Dess GAAP‑bruttovinstmarginal var 55,2 % och dess non‑GAAP‑bruttovinstmarginal var 56,6 %. Netto kassaflöde från verksamheten var $4,4 miljarder, medan fritt kassaflöde var $2 miljarder.

VD Arvind Krishna tillskrev intäkts‑, lönsamhets‑ och fritt kassaflödesökning till “stark efterfrågan på generativ AI,” och menade att IBM förblir “optimistisk om de långsiktiga tillväxtmöjligheterna för teknik och den globala ekonomin.”

Senaste IBM‑nyheter och utvecklingar

Slutsats

Att demonstrera ett algoritmiskt kvantförsprång, ett som skalar med problemets storlek, är nyckeln till att etablera kvantdatorernas nytta. Således markerar demonstrationen av ett villkorslöst, exponentiellt försprång ett brytande ögonblick i kvantberäkning, som bevisar att dagens enheter kan bryta sig loss från klassiska begränsningar. 

Denna prestation av forskarna utökar avsevärt räckvidden för kvantförsprång för oracle‑algoritmer, breddar gränsen för empiriska kvantförsprångsresultat och pekar på att praktiskt relevanta algoritmer äntligen är inom räckhåll.

Sammanfattningsvis är resan för kvantdatorer mot praktiska, vardagliga tillämpningar fortfarande pågående, med fortsatta förbättringar för att låsa upp hela kraften i kvanttekniken!

Klicka här för en lista över de bästa kvantberäkningsföretagen.

Studier som refereras:

1. Singkanipa, P.; Kasatkin, V.; Zhou, Z.; Quiroz, G.; Lidar, D. A. Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem. Phys. Rev. X 2025, 15 (2), 021082. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.021082
2. Vezvaee, A.; Tripathi, V.; Morford-Oberst, M.; Butt, F.; Kasatkin, V.; Lidar, D. A. Demonstration of High-Fidelity Entangled Logical Qubits using Transmons. arXiv 2025, arXiv:2503.14472. https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14472