Driver den kvantumframtiden: fononinterferens och nya material

Till skillnad från klassiska datorer, såsom våra bärbara datorer och smartphones, använder en kvantdator egenskaperna i kvantfysik för att utföra beräkningar och lagra data, vilket gör den bättre än även några av dagens bästa superdatorer för vissa uppgifter.

Till skillnad från att koda information i binära bitar (antingen 0 eller 1) som vanliga datorer, är den grundläggande minnesenheten i en kvantdator en qubit, som skapas med fysiska system som elektronens spinn eller en fotons orientering.

Kvantbitar, eller qubitar, kan arrangeras på många olika sätt samtidigt. Detta betyder att de kan representera både 0 och 1 samtidigt, en egenskap som kallas kvantsuperposition. Qubitar kan också länkas genom kvantintrassling, där de sammankopplade partiklarna delar samma öde oavsett avståndet mellan dem.

Som ett resultat tros en kvantdator ha förmågan att utföra beräkningar exponentiellt snabbare än någon klassisk dator.

Med denna fördel lovar kvantdatorer att revolutionera modern databehandling. Teoretiskt kan de optimera logistik, bryta vanliga krypteringsscheman, möjliggöra upptäckten av nya läkemedel och material, samt hjälpa fysiker att utföra fysiska simuleringar.

Även om kvantdatorer ännu inte har blivit en verklighet, påskyndas jakten på att skapa en praktisk sådan när stora teknikföretag arbetar med att skala från små laboratorieexperiment till fullt fungerande system under de kommande åren.

IBM har redan lagt fram sin detaljerade plan, där Jay Gambetta, chef för IBMs kvantinitiativ, berättade för Financial Times att det inte längre är en dröm:

“Jag känner verkligen att vi har knäckt koden och att vi kommer kunna bygga den här maskinen innan decenniets slut.”

Medan Google, ett Alphabet (GOOG ) ‑ägt företag, också är självsäkert i sin förmåga att producera ett industriellt system inom denna tidsram, förväntar sig Amazon (AMZN ) några decennier till innan dessa maskiner blir riktigt användbara.

Det finns tydligt ett starkt fokus på denna framväxande teknik bland de största branschaktörerna, även om deras verkliga adoption fortsätter att hindras av flera utmaningar.

Detta inkluderar qubits känslighet för störningar i omgivningen, även känt som ”brus”. Faktorer som värme, vibrationer och elektromagnetiska fält kan få en qubit att förlora sina kvantegenskaper. Denna process, känd som kvantdekoherens, får systemet att krascha och introducera fel i beräkningarna. Denna känslighet är en stor utmaning vid konstruktion och drift av kvantdatorer.

För att skydda qubitar från yttre störningar isolerar forskare dem fysiskt, håller dem kalla eller ger dem koncentrerade energiburstar.

Förutom brus är felkorrigering, skalbarhet, specialiserad kunskap, resursintensitet och integration med klassiska system andra utmaningar som kvantdatorer står inför. Det positiva är att dessa problem aktivt adresseras av företag och forskare genom olika tillvägagångssätt för att göra kvantdatorer till en verklighet.

Neglectoner: Överhoppade partiklar i kvantdatorer

Ett av sätten att övervinna qubits skörhet för att bygga stabila kvantdatorer är att para dem med matematiska element som tidigare sågs som irrelevanta.

Denna upptäckt rapporterades av matematiker förra veckan, som noterade att förbisedda partiklar kallade ”neglectoner” kan hjälpa till att revolutionera sektorn¹.

Kvasipartikeln som diskuteras här kallas en Ising‑anyon, som endast existerar i 2D‑system och är kärnan i topologisk kvantdator. Det betyder att anyoner inte lagrar information i partiklarna utan i hur de slingrar sig runt varandra, vilket är mycket mer motståndskraftigt mot brus. Problemet är att Ising‑anyoner inte är universella.

För att lösa detta vände sig teamet till ”icke-semisimpel topologisk kvantfältteori”. Denna teori möjliggör förutsägelsen av nya, okända partiklar ”endast genom att förstå symmetrin i vad som händer”.

Enligt detta har varje partikel en kvantdimension, ett tal som speglar hur mycket ”vikt” eller inflytande den har i systemet. Medan partikeln med nollvikt vanligtvis förkastas, behålls i de nya icke-semisimple versionerna dessa partiklar innan man räknar ut hur man får talet att inte bli noll.

De omtolkade förbisedda delarna ger de saknade förmågorna hos Ising‑anyoner.

Studien visade att med bara en neglecton kan partikeln utföra universell beräkning enbart genom flätning. Noterbart kan Ising‑anyoner skapa superpositioner eftersom de beror på formen av flätningsbanan och inte på exakta positioner, och är naturligt skyddade mot många typer av brus.

Träna AI för att effektivt omarrangera atomer

I ett annat fall använde forskarna AI för att montera ”hjärnan” i en kvantdator.²

Vad teamet gjorde var att de använde artificiell intelligens för att ta fram det mest optimala sättet att snabbt sätta ihop ett nätverk av atomer som kan fungera som en kvantdators hjärna någon dag i framtiden.

Enligt studiens medförfattare, Jian-Wei Pan, en fysiker vid University of Science and Technology of China:

“AI för vetenskap framträder som ett kraftfullt paradigm för att lösa komplexa vetenskapliga problem.”

När man bygger ”neutrala atomarrayer” är utmaningen att hitta ett sätt att omarrangera dem på ett ”effektivt, snabbt och skalbart sätt”, vilket AI löste.

Neutrala atomer, fångade joner och supraledande kretsar används av forskare för att skapa qubitar på grund av deras förmåga att bevara kvanttillstånd under relativt lång tid. När atomer används som qubitar, fångas de med laserljus och lagrar kvantinformations i deras elektroners energinivåer.

Idén är att använda tillräckligt många atomer för att hjälpa en kvantdator att övervinna fel. Så tränade teamet AI‑modellen på hur rubidium‑atomer (Rb) kan placeras i olika rutnätskonfigurationer med olika laserljusmönster. Baserat på atomernas startpositioner kan AI‑modellen sedan beräkna det exakta ljusmönstret som krävs för att omarrangera dem till 2D‑ och 3D‑former.

Med sin AI‑modell samlade teamet en array med upp till 2 024 rubidium‑atomer på bara 60 ms. Studien noterade:

“Detta protokoll kan enkelt användas för att generera felfria arrayer med tiotusentals atomer med nuvarande teknik och bli ett användbart verktyg för kvantfelkorrigering.”

Magisk tillståndsdestillation av logiska qubitar

Under tiden, förra månaden lyckades forskare med ett ”magiskt tillstånd”-genombrott för att bygga felfria kvantdatorer.³.

Forskare demonstrerade faktiskt ett fenomen kallat ”magisk tillståndsdestillation”, som föreslogs för två decennier sedan men inte användes i logiska qubitar förrän nu. Detta trots att det anses kritiskt för att producera ”magiska tillstånd”, som krävs för att utnyttja kvantdatorers fulla potential.

Sådana tillstånd förbereds i förväg för att användas som resurser av komplexa kvantalgoritmer.

För deras användning i algoritmer puras de högkvalitativa magiska tillstånden först genom en filtreringsprocess kallad magisk tillståndsdestillation. Även om detta är möjligt på enkla, felbenägna fysiska qubitar, är processen inte möjlig på logiska qubitar som är konfigurerade för att upptäcka och korrigera fel.

Nu har forskare för första gången demonstrerat magisk tillståndsdestillation i praktiken på logiska qubitar.

Med den neutrala-atom Gemini‑kvantdatorn destillerade forskarna fem ofullständiga magiska tillstånd till ett renare magiskt tillstånd. Genom att utföra detta på en Distance‑3‑ och en Distance‑5‑logisk qubit separat har de visat att destillationsprocessen skalar med kvaliteten på den logiska qubiten.

Som ett resultat av detta överstiger felfriheten hos det slutliga magiska tillståndet någon indatafelfrihet, vilket bekräftar att störningsresistent magisk tillståndsdestillation faktiskt fungerar i praktiken.

Låsa upp kvantminne med ljudvågor

Precis förra veckan publicerade Caltech‑forskare sin forskning som demonstrerade att ljudvågor öppnar ännu ett sätt till praktisk kvantdator.⁴.

De har byggt ett hybrid‑kvantminne som omvandlar elektrisk information till ljud. Detta gör att kvanttillstånd kan bestå upp till trettio gånger längre än i vanliga supraledande system, där noggrant designade resonatorer låter elektroner bilda supraledande qubitar som är utmärkta för snabba, komplexa operationer men inte lämpade för långtidslagring.

Att lagra information i kvanttillstånd fortsätter vara en utmaning; för att lösa detta skapar forskare ”kvantminnen” för att hålla kvantinformations under en period som överstiger den för vanliga supraledande qubitar. Den nya hybridmetoden från Caltech‑teamet har förlängt kvantminnet.

“När du har ett kvanttillstånd kanske du inte vill göra något med det omedelbart. Du behöver ett sätt att återvända till det när du vill utföra en logisk operation. För det behövs ett kvantminne.”

– Mohammad Mirhosseini, biträdande professor i elektroteknik och tillämpad fysik

Så skapade teamet en supraledande qubit på ett chip och kopplade den till en liten enhet benämnd mekanisk oscillator, som i princip är en liten gungga.

Denna oscillator består av flexibla plattor som vibrerar som svar på ljudvågor med GHz‑frekvenser. Vid applicering av en elektrisk laddning interagerar dessa plattor med elektriska signaler som bär kvantinformations, vilket möjliggör att informationen kan kanaliseras in i enheten för lagring som ett ”minne” och senare kanaliseras ut, eller ”kommas ihåg”.

Vid mätning fann forskarna att oscillatoren hade en livslängd, det vill säga den tid det tar för den att förlora kvantinnehåll när information matas in i enheten, vilket var cirka 30 gånger längre än för de bästa supraledande qubitarna.

Mitt i all denna utveckling har två nya studier, stödda av National Science Foundation, uppnått stora genombrott som tar oss ett steg närmare praktisk användning av kvantdatorer.

Nya kvantmaterial för stabila qubitar

Ett team av forskare från Chalmers tekniska högskola, Helsingfors universitet, och Aalto universitet har presenterat ett kvantmaterial som kan förändra kvantdatorer för alltid genom att göra dem mer stabila. Det gör detta genom att använda magnetism för att skydda de sköra qubitarna från brus.

När det kombineras med deras beräkningsverktyg för att hitta material med magnetiska interaktioner kan detta genombrott slutligen leda till praktiska, feltoleranta kvantdatorer.

Den nya typen av kvantmaterial, tillsammans med en metod för att uppnå stabilitet, kan göra kvantdatorer mer motståndskraftiga, vilket öppnar vägen för deras praktiska användning i kvantberäkningar.

På senare tid har forskare aktivt utforskat möjligheten att skapa helt nya material för att lösa brusproblemet genom att erbjuda det skydd som behövs mot störningar i deras topologi.

Kvanttillstånd som uppstår och upprätthålls genom materialets inneboende struktur som används för att skapa qubitar kallas topologiska excitationer. Dessa är robusta och stabila. Utmaningen kvarstår dock i att hitta material som naturligt stödjer robusta kvanttillstånd.

Den senaste studien har framgångsrikt utvecklat ett sådant nytt kvantmaterial för qubitar som visar robusta topologiska excitationer.

Detta markerar ett lovande steg mot praktisk topologisk kvantdator genom att ha stabilitet inbyggd i materialets design.

Enligt studiens ledande författare, Guangze Chen, en postdoktoral forskare i tillämpad kvantfysik vid Chalmers:

“Detta är en helt ny typ av exotiskt kvantmaterial som kan behålla sina kvantegenskaper när det utsätts för externa störningar. Det kan bidra till utvecklingen av kvantdatorer som är tillräckligt robusta för att hantera kvantberäkningar i praktiken.”

‘Exotiska kvantmaterial’ avser flera nya klasser av fasta ämnen med djup motståndskraft och extrema kvantegenskaper, och sökandet efter sådana material har länge varit en utmaning.

När det gäller teamets nya metod är magnetism nyckeln. Vad forskare traditionellt har gjort är att följa ett lång etablerat ”recept” baserat på spinkoppling (SOC). Detta är en kvantinteraktion som länkar en elektrons spinn till dess orbitalrörelse runt atomkärnan för att skapa topologiska excitationer.

Men detta är ganska ovanligt och kan endast användas på ett begränsat antal material. Därför har teamet presenterat en ny metod för att uppnå samma effekt. Den nya metoden utnyttjar magnetism, som är vanligare och mer tillgänglig.

Genom att utnyttja magnetiska interaktioner kunde teamet skapa robusta topologiska excitationer som behövs för topologisk kvantdator.

“Fördelen med vår metod är att magnetism naturligt finns i många material. Du kan jämföra det med att baka med vanliga ingredienser snarare än att använda sällsynta kryddor,” noterade Chen. “Det betyder att vi nu kan söka efter topologiska egenskaper i ett mycket bredare spektrum av material, inklusive de som tidigare har förbises.”

Förutom ett nytt material och en ny metod utvecklade forskarna också ett helt nytt beräkningsverktyg.

Verktyget hjälpte dem att snabbare hitta nya material med önskade topologiska egenskaper. Det kan direkt beräkna hur starkt det topologiska beteendet hos ett material är.

“Vår förhoppning är att detta tillvägagångssätt kan hjälpa till att vägleda upptäckten av många fler exotiska material,” sade Chen. “I slutändan kan detta leda till nästa generations kvantdatorplattformar, byggda på material som naturligt motstår den typ av störningar som plågar nuvarande system.”

Utnyttja den outnyttjade kraften hos fononer

Ett annat genombrott har uppnåtts av forskare från Rice University, vilket kan bana väg för nästa generations teknik inom sensning och beräkning. Detta har visat en stark form av interferens mellan fononer.

Fononer är vibrationer i ett materials struktur som utgör de minsta enheterna av värme eller ljud i systemet.

När två fononer med olika frekvensfördelningar interfererar med varandra kallas fenomenet Fano‑resonans. Studien rapporterade en Fano‑resonans två storleksordningar högre än någonsin tidigare.

“Även om detta fenomen är väl studerat för partiklar som elektroner och fotoner har interferens mellan fononer utforskats mycket mindre,” sade studiens första författare, Kunyan Zhang, en tidigare postdoktoral forskare vid Rice. “Det är en missad möjlighet, eftersom fononer kan behålla sitt vågbeteende under lång tid, vilket gör dem lovande för stabila, högpresterande enheter.”

Studien har effektivt demonstrerat att fononer kan utnyttjas lika framgångsrikt som ljus eller elektroner, vilket banar väg för nästa generations fononbaserad teknik. Grunden för detta genombrott är användningen av ett 2D‑metall på en kiselkarbidbas.

Mellan ett lager av grafen och kiselkarbid införde teamet några lager av silveratomer med hjälp av konfinering heteroepitaxi‑tekniken, vilket skapade ett tätt bundet gränssnitt med exceptionella kvantegenskaper.

“Den 2D‑metallen triggar och förstärker interferensen mellan olika vibrerande lägen i kiselkarbid, och når rekordnivåer.”

– Zhang

För sitt arbete undersökte teamet exakt hur fononer interfererar med varandra. De analyserade signalformen i Raman‑spektroskopi, en teknik som används för att mäta ett materials vibrerande lägen. Forskarna fann en skarpt asymmetrisk linjeform som i vissa fall visade ett komplett dip, vilket bildade ett antiresonansmönster som är karakteristiskt för intensiv interferens.

Denna effekt visade hög känslighet för kiselkarbid (SiC)‑ytans specifika egenskaper.

När de jämförde tre unika SiC‑yttermineringar fann forskarna en stark koppling mellan var och en av dem och den unika Raman‑linjeformen. Dessutom förändrades spektrallinjens form markant när en enda färgmolekyl introducerades på ytan.

“Denna interferens är så känslig att den kan upptäcka närvaron av en enda molekyl,” sade Zhang. “Den möjliggör etikettfri detektion av enskilda molekyler med en enkel och skalbar uppställning. Våra resultat öppnar en ny väg för att använda fononer i kvantsensorik och nästa generations molekylär detektion.”

När de undersökte effektens dynamik vid låga temperaturer bekräftades att interferensen enbart kommer från fononinteraktioner och inte elektroner, vilket gör det till ett sällsynt fall av enbart fonon‑kvantinterferens.

Teamet observerade denna effekt endast i det 2D‑kiselkarbidsystem de använde på grund av ytkonfigurationerna och de speciella övergångsvägar som möjliggjordes av det tunna lagret.

“Jämfört med konventionella sensorer erbjuder vår metod hög känslighet utan behov av speciella kemiska märken eller komplicerad enhetsuppställning,” sade medförfattare Shengxi Huang, docent i elektroteknik och datorteknik samt materialvetenskap och nanoingenjörskonst vid Rice. “Denna fononbaserade metod främjar inte bara molekylär sensning utan öppnar också spännande möjligheter inom energihämtning, termisk hantering och kvantteknologier, där kontroll av vibrationer är nyckeln.”

Swipe to scroll →

Investera i kvantdatorer

Flera stora teknikjättar och investerare satsar stort på kvantgenombrott. Detta inkluderar företag som IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), och många fler. De skalar alla sina kvantinitiativ, medan riskkapital fortsätter flöda utan avbrott till startups som utforskar nya material, felkorrigering och fononteknologier.

Microsoft (MSFT )

Bland alla dessa stora namn sticker Microsoft ut markant. Företaget har drivit både kvant‑ och fusionsinvesteringar och presenterar dem som kompletterande teknologier för att driva AI‑drivna datacenter i framtiden. På liknande sätt speglar Googles kvant‑AI‑lab och IBMs fleråriga kvantplaner deras mål att uppnå praktiska kvantmaskiner inom ett decennium.

Microsofts aktiekurs steg från cirka 354 $ i början av april 2025 till en topp över 524 $ i augusti, innan den återgick till omkring 509 $ den 19 augusti. Företagets nuvarande värdering inkluderar ett P/E‑tal på 38,1, med vinst per aktie (TTM) på 13,70 $ och en utdelningsavkastning på 0,59 %. För räkenskapsåret 2025 uppgick intäkterna till 281,7 miljarder $ och nettoresultatet till 101,8 miljarder $. Efterfrågan på dess moln‑ och AI‑verksamheter, i synnerhet, bidrar till att driva upp prestationen.

Senaste nyheter och utveckling kring Microsoft Corporation (MSFT) aktie

Slutsats

Kvantdatorer har förmågan att utföra komplexa beräkningar med hastigheter som vida överstiger klassiska datorer, vilket lovar genombrott inom olika områden, inklusive läkemedelsupptäckt, materialvetenskap, AI och kryptografi.

Men naturligtvis är kvantdatorer fortfarande långt ifrån en verklighet och står inför utmaningar som brus, skalbarhet, stabilitet, lagring, minne och kontroll. På den positiva sidan gör forskare dock ständiga framsteg på alla dessa fronter, och tillsammans för oss närmare att låsa upp praktiska kvantdatorer!

Klicka här för en lista över de fem främsta kvantdatorföretagen.

Referenser:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universell kvantberäkning med Ising‑anyoner från en icke‑semisimpel topologisk kvantfältteori. Nature Communications, 16, 6408, publicerad 5 augusti 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025, 15 augusti). AI hjälper till att montera ‘hjärnan’ i framtida kvantdator. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, J. M., Jepsen, P. N., et al. Experimentell demonstration av logisk magisk tillståndsdestillation. Nature, publicerad 14 juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., et al. Ett mekaniskt kvantminne för mikrovågsfoton. Nature Physics, publicerad 13 augusti 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, E. L., Lado, J. L., & Chen, G. Topologiska nollmodeller och korrelationspumpning i ett konstruerat Kondo‑gitter. Physical Review Letters, 134(11), 116605, publicerad mars 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Justerbar fonon‑kvantinterferens inducerad av tvådimensionella metaller. Science Advances, 11, eadw1800, publicerad 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800