Uppskalning av kvantdatorer med enkellatom-qubitar

Enkellatom-qubitar: En ny era för kvantdatorer

Quantum-datorer är extraordinärt komplexa maskiner som utnyttjar små variationer i enskilda atomers beteende för beräkning. På så sätt både använder de och avslöjar nya insikter om själva universums natur på atom- och partikelnivå.

Sådana insikter kommer sannolikt att krävas för att bygga kvantdatorer i skala, eftersom ju mer komplext systemet är, desto svårare blir det att bygga dem tillräckligt stora för praktisk användning.

Forskare vid University of Sydney i Australien har nyligen lyckats koda flera kvantberäkningsdata i en enda atom, vilket potentiellt kan revolutionera den fysiska storleken på kvantdatorernas qubitar (kvantmotsvarigheten till “normala” dators bitar).

De publicerade sina resultat i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Nature Physics¹, under titeln “Universellt kvantgrindset för Gottesman–Kitaev–Preskill logiska qubitar”.

Göra qubit pålitlig

För närvarande produceras qubitar antingen genom en metod som kallas “fångad jon”, eller genom att använda ultrakalla supraledande material.

Källa: Forbes

Båda metoderna har sina begränsningar:

• De fångade jonerna innehåller bara ett fåtal qubitar, men är mer pålitliga och ger färre fel.
• De supraledande materialen har fler qubitar och förväntas vara lättare att skala upp, men är mer felbenägna.

I båda fallen påverkar felgraden förhållandet mellan fysiska och logiska qubitar, eller antalet fysiska qubitar som krävs för att skapa en funktionell qubit ur ett beräkningsperspektiv.

Allt eftersom antalet användbara (eller logiska) qubitar växer, ökar antalet fysiska qubitar som krävs ännu mer. När detta skalar upp blir det enorma antalet qubitar som behövs för att skapa en användbar kvantmaskin ett ingenjörsmardröm.

Så att göra kvantdatorer mer felresistenta är kanske den viktigaste uppgiften för forskare i fältet just nu, eftersom det skulle lyfta den största hindret för att bygga användbara storskaliga kvantdatorer.

Swipe för att rulla →

Minska qubitar

De australiensiska forskarna använde ett fångat jon‑system (med en laddad yttriumatom) för kvantdatorer, och en form av kodning som kallas Gottesman‑Kitaev‑Preskill‑koden (GKP).

GKP är en typ av kod som förväntas hjälpa till att korrigera fel i kvantdatorer. Men att skapa en i praktiken har hittills varit svårt.

Nyckeln är att skapa en “logikgrind”, en informationsomkopplare som gör det möjligt för både kvant‑ och klassiska datorer att vara programmerbara.

Med hjälp av en kvantkontrollprogramvara utvecklad av Q-CTRL, ett spin‑off‑startup från Quantum Control Laboratory, kodade forskarna data i en enda atom, i 3D.

I huvudsak lagras två uppsättningar data som vibrationer av en enda atom, en uppsättning som vibration från “vänster till höger”, och en som vibration från “upp och ner”.

“I praktiken lagrar vi två felkorrigerbara logiska qubitar i en enda fångad jon och demonstrerar sammanflätning mellan dem.

Vassili Matsos – PhD‑student vid School of Physics and Sydney Nano

Bygga en enkellatom‑logikgrind

För att utföra detta kvantfysiska trick använde de en komplex laseruppsättning vid rumstemperatur för att hålla den enda atomen i fällan, vilket möjliggjorde att dess naturliga vibrationer kunde styras och utnyttjas för att producera de komplexa GKP‑koderna.

Källa: Nature Physics

Den “rumstemperatur”‑delen är mycket viktig, eftersom den gör processen i grunden enklare och billigare än supraledande kvantdatorer som kräver temperaturer nära absoluta nollpunkten och flytande helium.

“Våra experiment har visat den första realiseringen av ett universellt logikgrindset för GKP‑qubitar.

Vi gjorde detta genom att exakt kontrollera de naturliga vibrationerna, eller harmoniska svängningarna, hos en fångad jon på ett sätt som gör att vi kan manipulera individuella GKP‑qubitar eller sammanfläta dem som ett par.

Dr Tingrei Tan – University of Sydney Nano Institute

Mot skalbara kvantdatorer

Det är kombinationen av rumstemperaturkontroller, en enkellatom‑logikgrind och felreduceringskod som gör denna upptäckt så viktig.

Tillsammans öppnar detta vägen för en ny typ av fångad‑jon‑kvantdator som kan vara mycket enklare att bygga och mycket lättare att skala upp.

“Våra experiment nådde en viktig milstolpe genom att demonstrera att dessa högkvalitativa kvantkontroller ger ett verktyg för att manipulera mer än bara en logisk qubit.

Genom att demonstrera universella kvantgrindar med dessa qubitar har vi en grund för att arbeta mot storskalig kvantinformation i en mycket hårdvarueffektiv form.

Dr Tingrei Tan – University of Sydney Nano Institute

Parallellt har flera nya upptäckter nyligen gjorts som visar potentialen att sammankoppla kvantdatorer. Så om varje blir kraftfullare och kvantnätverk närmar sig verkligheten, kan detta skapa en explosion i användbar qubit‑kapacitet.

Kvantdatorer som låser upp ny fysik

Uppskalade kvantdatorer kommer sannolikt att revolutionera kryptografi och vetenskaplig forskning, tack vare deras enorma kapacitet att lösa komplexa problem som är för svåra för binära datorer.

Men de kan också indirekt öppna en helt ny metod för fysiker att studera kvarriket.

Detta framkommer i analyser gjorda på Googles kvantdatorer av forskare vid Princeton University, Cornell University, Purdue University, University of Nottingham (UK), Technical University of Munich (Tyskland) och Google Research, enligt en ny publikation i Nature², med titeln “Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1)D lattice gauge theories”.

Mäta gauge‑teori

Googles kvantdator gör det möjligt för forskare att experimentera med och testa den så kallade “Lattice Gauge Theory” (LGT), en typ av kvantfältteori som postulerar existensen av gauge‑fält (fält som förmedlar krafter, som det elektromagnetiska fältet) och gauge‑bosoner (de elementära partiklarna som bär dessa krafter).

Källa: Nature

Teamet visade hur partiklar och de osynliga “strängarna” som förbinder dem beter sig, fluktuerar och till och med bryts.

Källa: Nature

Forskarna bekräftade i studien att dessa “strängar” kunde mätas och observeras i kvantdatorer.

“Genom att utnyttja kraften i den kvantprocessorn studerade vi dynamiken i en specifik typ av gauge‑teori och observerade hur partiklar och de osynliga ‘strängarna’ som förbinder dem utvecklas över tid.”

Pedram Roushan – Google Quantum AI

Genom att skapa mycket kontrollerade situationer för att observera kvanteffekter, utan att behöva de mycket höga energinivåerna i partikelacceleratorer, blir det tydligt att kvantdatorer kan bli nyckelverktyg för grundläggande fysikforskning.

“Vårt arbete visar hur kvantdatorer kan hjälpa oss att utforska de grundläggande regler som styr vårt universum.

Genom att simulera dessa interaktioner i laboratoriet kan vi testa teorier på nya sätt.

Michael Knap, Professor of Collective Quantum Dynamics at the TUM School of Natural Sciences

Framtiden för skalbara kvantdatorer

Kvantdatorns potential är ännu inte fullt förstådd, eftersom de ständigt återuppfinns från sina grundprinciper, likt hur de första datorerna gick från hålkort till vakuumrör och sedan till kiseltransistorer. Endast takten i förändring är mycket snabbare.

Det innebär att vi mycket snart kan se stora framsteg i tillverkningen av större, kraftfullare kvantdatorer, som även kan nätverkas för ännu större kapacitet.

Detta kan öppna vägen inte bara till mycket högre beräkningskapacitet, utan även till en helt ny förståelse av materia och kvantfysik, med exempelvis ett helt nytt materietillstånd som nyligen demonstrerats som “topologiskt tillstånd” av Microsofts kvantteam (Majorana‑1‑chip).

Investera i kvantdatorer

Honeywell / Quantinuum

Medan Googles kvantdator kan avslöja nya insikter om kvantfysikens teori, gör upptäckten av en potentiell 1‑atom‑qubit med fångad‑jon‑teknik denna metod mycket närmare kommersiell livskraft än supraledande kvantdatorer.

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

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

En potentiell börsnotering av Quantinuum i framtiden, eventuellt som en del av en större företagsomstrukturering, beräknas vara värd så mycket som 20  miljarder USD och kan ske mellan 2026 och 2027.

Kvantberäkning är inte den centrala delen av Honeywells verksamhet, som är mer inriktad på produkter inom flyg, automation och specialkemikalier & material.

Dessa områden kan dock dra nytta av kvantberäkning, särskilt beräkningskemi och kvant‑cybersäkerhet, vilket potentiellt ger Honeywell ett försprång gentemot sina konkurrenter.

Företagets huvudmodell för närvarande är H2, en fångad‑jon‑chip med 56 qubitar och 99,895 % två‑qubit‑grindfidelitet.

Företaget har strävat efter högkvalitativ beräkning med mycket lite fel, snarare än att bara lägga till så många qubitar som möjligt, och skapat en så kallad “fel‑tolerant kvantdator”.

Denna strategi benämns av företaget “Better qubits, better results”, där ett liknande antal qubitar ger 100‑1 000‑gånger mer pålitliga resultat.

Källa: Quantinuum

Detta kan göra en märkbar skillnad i det akut behövda kvant‑resistenta kryptografiet, där försvarsföretaget Thales (HO.PA -0,96 %) redan samarbetar med Quantinuum samt de internationella bankerna HSBC och JP Morgan.

Quantinuum erbjuder också sin proprietära kvant‑beräkningskemi InQuanto, användbar för läkemedel, materialvetenskap, kemikalier, energi och flygapplikationer.

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

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

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

I de kommande månaderna kommer Quantinuum att dela resultat från pågående samarbeten, och visa den banbrytande potentialen för kvant‑drivna framsteg inom generativ AI.

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

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

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

(Du kan läsa mer om resten av Honeywells industriella verksamheter inom automation, flyg och avancerade material i rapporten som är dedikerad till företaget).

Senaste Honeywell (HON) aktienyheter och utvecklingar

Refererade studier

<sup>1. Matsos, V.G., Valahu, C.H., Millican, M.J. et al. Universal quantum gate set for Gottesman–Kitaev–Preskill logical qubits. Nature. Physics. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1)D lattice gauge theories. Nature 642, 315–320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9</sup>