Ljudvågor erbjuder genombrott i lagring av kvantinformation

Kvantberäkning lovar enastående hastighet vid lösning av komplexa problem för att driva genombrott inom områdena AI, finans, logistik, materialvetenskap, läkemedelsupptäckt och kryptografi.

Men även om teknologins potential är enorm, är det inte enkelt att förverkliga den, eftersom det i praktiken har visat sig vara mycket svårt att få kvantdatorer att fungera och utnyttja dem för att lösa verkliga problem.

Kvantberäkning är fortfarande en experimentell teknik, med forskare arbetar med att övervinna hindren för att utföra exakta simuleringar av kvantnivåfenomen. Ett av de stora problemen här är att lagra information under en lång tid.

Detta beror på att även om supraledande qubitar har stora möjligheter att bearbeta kvantinformations, har de relativt begränsade koherenstider.

Koherens är förmågan hos ett kvantsystem att behålla relationen mellan olika tillstånd i en superposition. Denna grundläggande egenskap gör det möjligt för qubitar att existera i en linjär kombination av grundtillstånd, vilket möjliggör den parallellism och interferens som är kärnan i kvantberäkning. 

Väsentlig för att utföra kvantoperationer är koherens ganska skör och kan lätt gå förlorad genom även små interaktioner med omgivningen.

Om det inte finns någon koherens förlorar qubiten sitt kvantbeteende, vilket gör kvantberäkningar meningslösa. Samtidigt är decoherens processen där koherensen förloras, och den fortsätter att vara en stor utmaning vid konstruktion och drift av kvantdatorer.

Nu är supraledande qubitar ett fysiskt sätt att realisera qubitar, och de förlitar sig på att upprätthålla kvantkoherens för att fungera. Men naturligtvis är decoherens deras största utmaning.

Supraledande qubitar är små kretsar gjorda av specifika material, som utnyttjar kvantfenomen som superposition och intrassling för att utföra beräkningar. Materialen som används för att tillverka en krets kyls ner till nästan absolut nollgrad för att göra dem supraledande, vilket betyder att de kan leda elektricitet utan motstånd.

Även om dessa supraledande qubitar är anmärkningsvärda för snabba beräkningar, har de svårt att lagra information under längre perioder.

Ett gränssnitt mellan fotoner och fononer kan dock möjliggöra att kvantinformations lagras i långlivade mekaniska oscillatorer. Ett team vid Caltech har gjort just det; de har introducerat en plattform som bygger på elektrostatiska krafter i nanoskaliga strukturer för att uppnå stark koppling mellan en qubit och en nanomekanisk oscillator.

Energiavklingningstiden (T1) är cirka 25 ms, vilket överstiger de som uppnås i integrerade supraledande kretsar.

För att undersöka orsakerna till decoherens samt minska dess påverkan använde teamet kvantoperationer. Användningen av tvåpulsgemensamma dynamiska decouplingsekvenser hjälpte dem att uppnå en längre koherenstid (T2) på 1 ms, en förlängning från 64 µs.

Studiernas resultat visar att i supraledande enheter kan mekaniska oscillatorer fungera som kvantminnen, med potential att användas i kvantberäkning, sensning och transduktion.

Hur ljudvågor lagrar kvanttillstånd längre

Konventionella datorer som bärbara datorer och telefoner lagrar information i form av bitar.

Bitar är den minsta enheten av digital information, som är grundläggande logikbitar som antingen har ett binärt värde av noll eller ett.

Kvantdatorer kan samtidigt ha ett tillstånd som är både noll och ett, vilket kallas superposition, och detta är grunden till kvantberäkningens löfte om att lösa problem som inte är hanterbara för våra klassiska datorer.

Många befintliga kvantdatorer är baserade på supraledande elektroniska system, där elektroner flödar utan motstånd vid extremt låga temperaturer. I dessa system, när den kvantmekaniska naturen hos elektroner flödar genom resonatorer, skapas supraledande qubitar.

Dessa qubitar är utmärkta på att utföra de logiska operationer som krävs för beräkning. Men de är inte särskilt bra på att lagra information, vilket representeras av matematiska beskrivningar av specifika kvantsystem.

För att öka lagringstiden för kvanttillstånd har ingenjörer undersökt att bygga ‘kvantminnen’ för supraledande qubitar.

Ett team av forskare från Caltech har valt en hybridväg till dessa kvantminnen.

Elektrisk information konverterades effektivt till ljud med detta tillvägagångssätt. För att översätta kvantinformations till ljudvågor använde de en liten enhet som fungerar som en miniatyrstämgaffel.

Detta möjliggjorde att livslängden för kvanttillstånd förlängdes upp till trettio gånger mer än andra tekniker, vilket lägger grunden för skalbara, praktiska kvantdatorer med kapacitet att inte bara beräkna utan också minnas.

“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 behöver du ett kvantminne.”

– Mohammad Mirhosseini, assisterande professor i elektroteknik och tillämpad fysik vid Caltech

Stödd av finansiering från National Science Foundation och Air Force Office of Scientific Research, leddes studien av Caltechs doktorander Alkim Bozkurt och Omid Golami och publicerades i tidskriften Nature Physics.

Den beskrev tillverkningen av en supraledande qubit på ett chip, som sedan kopplades till en liten enhet benämnd mekanisk oscillator.

En mekanisk oscillator är ett system som visar oscillationsrörelse. Det är i princip en miniatyrstämgaffel, som i detta fall består av flexibla plattor. Dessa plattor vibreras med hjälp av ljudvågor vid gigahertz (GHz)-frekvenser.

När teamet placerade en elektrisk laddning på dessa flexibla plattor kunde de interagera med elektriska signaler som bar kvantinformations, vilket möjliggjorde att den överfördes in i enheten för lagring som ett “minne” och sedan kunde överföras ut eller “kommas ihåg” senare.

Forskarna mätte hur lång tid det tog för oscillatoren att förlora sitt kvantinnehåll när informationen kom in i enheten.

“Det visar sig att dessa oscillatorer har en livslängd ungefär 30 gånger längre än de bästa supraledande qubitarna som finns.”

– Mirhosseini

Denna metod för att konstruera ett kvantminne har flera fördelar jämfört med andra tekniker. Akustiska vågor, till exempel, färdas mycket långsammare än elektromagnetiska vågor, vilket möjliggör mer kompakta enheter.

Elektromagnetiska (EM) vågor är tvärgående vågor av oscillerande elektriska och magnetiska fält som transporterar energi genom rymden. De produceras av accelerationen av laddade partiklar och omfattar ett spektrum som inkluderar radiovågor, mikrovågor, infraröd, synligt ljus, ultraviolett, röntgenstrålar och gammastrålar.

Swipe to scroll →

All EM färdas med ljusets hastighet i ett vakuum och kräver inget medium för att spridas.

Samtidigt är akustiska vågor mekaniska vågor, som ljudvågor, som överför energi genom ett medium som fast, vätska eller gas genom att få partiklarna i mediet att vibrera, komprimera och expandera. Dessa vågor karaktäriseras av egenskaper som frekvens, amplitud och våglängd. Akustiska vågor omfattar ett spektrum av frekvenser, inklusive infraljud och ultraljud.

Eftersom mekaniska vibrationer, till skillnad från EM-vågor, inte sprider sig i fritt rum, läcker energin inte ut ur systemet och kan vara starkare begränsad inom ett medium, vilket möjliggör förlängda lagringstider och minskar oönskad energiexchange mellan närliggande enheter.

Dessa fördelar ger möjlighet att många sådana stämgafflar kan inkluderas i ett enda chip, vilket ger ett skalbart sätt att skapa kvantminnen.

Studien, enligt Mirhosseini, visar minimal interaktion mellan akustiska och elektromagnetiska vågor som behövs för att undersöka värdet av detta hybridsystem som minneskomponent.

“För att denna plattform verkligen ska vara användbar för kvantberäkning måste du kunna lägga in kvantdata i systemet och ta ut den mycket snabbare. Och det betyder att vi måste hitta sätt att öka interaktionshastigheten med en faktor på tre till tio jämfört med vad vårt nuvarande system kan,” sade Mirhosseini. “Och teamet har idéer om hur man kan uppnå det.”

Kvantmaskinvara och mjukvara: Vägen till kommersiell användning

Den nya enheten som skapats av Caltech-forskare har utvecklats under en längre tid nu.

För ett par år sedan, i deras tidigare arbete, visade teamet att ljud, särskilt fononer, som är individuella vibrationspartiklar på samma sätt som fotoner är, kunde erbjuda ett enkelt sätt att lagra kvantinformations.

Vid den tiden visade Mirhosseinis grupp vände sig till matematik den nya metoden i labbet, där de utforskade fononer på grund av den relativa bekvämligheten att bygga små enheter som kan lagra dessa mekaniska vågor.

Teamet testade enheter i experiment som verkade lämpliga för att paras med supraledande qubitar, eftersom de arbetar på samma mycket höga GHz-frekvenser.

Humans hear in the hertz to kilohertz range (up to ~20 kHz), whereas the devices operate at gigahertz (billions of cycles per second)—around 50,000× higher in frequency.

De testade enheterna hade också långa livslängder och presterade väl vid de låga temperaturer som krävs för att bevara kvanttillstånd med supraledande qubitar.

Som Mirhosseini noterade då, har andra studier undersökt piezoelektriska material, en speciell typ av material, som ett sätt att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi i kvantapplikationer. Han tillade:

“Dessa material tenderar dock att orsaka energiförluster för elektriska och ljudvågor, och förluster är en stor dödlig faktor i den kvanta världen.”

Den nya tekniken som utvecklats av Caltech-teamet, i kontrast, förlitar sig inte på specifika materialegenskaper och är därför lämplig för etablerade mikrovågsbaserade kvantenheter.

Att bygga effektiva lagringsenheter med kompakt storlek är ytterligare en utmaning för dem som utforskar kvantapplikationer.

Denna utmaning adresseras också av den nya metoden, som “möjliggör lagring av kvantinformations från elektriska kretsar under perioder två storleksordningar längre än andra kompakta mekaniska enheter,” sade huvudförfattaren Bozkurt, som är doktorand i Mirhosseinis grupp.

Även om Caltechs ljudvågsplattform är lovande, är den bara en del av en mycket större forskningsinsats som pågår över hela världen vid olika institutioner. Forskare testar olika metoder för att övervinna utmaningarna med kvantdatorer. 

Till exempel har forskare från University of Southern California vände sig till matematik².

De använder neglectoner för att lösa några av problemen med topologiska qubitar. Denna klass av teoretiska partiklar, som fått sitt namn för hur de härleddes från förbisedda teoretiska matematiska modeller, kan öppna en ny väg mot experimentell realisering av universella topologiska kvantdatorer.

“Mitt mål är att göra ett så övertygande fall som möjligt för andra forskare att den icke-semisimple ramverket inte bara är giltigt utan också ett spännande tillvägagångssätt för att bättre förstå kvantteori.”

– Medförfattare Aaron Lauda

Samtidigt, i ett annat tillvägagångssätt, kontrollerar forskare ljuset som avges av kvantprickar, vilket kan leda till billigare, snabbare och naturligtvis mer praktiska kvantteknologier.

För detta fann forskningssamarbetet en ny metod som bygger på stimulerad tvåfotonexcitation, vilket gör att kvantprickar kan avge fotonströmmar i distinkta polarisationstillstånd utan att behöva elektronisk växlingsutrustning. När de testades kunde forskarna framgångsrikt producera utmärkta tvåfotonstillstånd samtidigt som de behöll anmärkningsvärda enkelfotonegenskaper.

“Det som gör detta tillvägagångssätt särskilt elegant är att vi har flyttat komplexiteten från dyra, förlustinducerande elektroniska komponenter efter enkelfotonemissionen till den optiska excitationsstadiet, och det är ett betydande steg framåt för att göra kvantprickskällor mer praktiska för verkliga tillämpningar.”

– Huvudforskare, Vikas Remesh

Sedan finns teamet från The Grainger College of Engineering vid University of Illinois Urbana-Champaign, som presenterade en högpresterande modulär design för supraledande kvantprocessorer med ~99 % noggrannhet. 

Den modulära arkitekturen, till skillnad från de restriktiva monolitiska designerna, erbjuder större skalbarhet, enklare förbättringar och motståndskraft mot inkonsekvenser.

Medan de flesta insatser tydligt fortsätter att fokusera på hårdvarudelen av kvantdatorer, ses nu en förskjutning mot mjukvara då folk tror att teknologin är “på gränsen till att bli kommersiellt livskraftig”, och därför behöver något användbart att göra med dem.

I detta avseende har kvantalgoritmföretaget Phasecraft samlat in 34 miljoner dollar från flera investerare, inklusive investeringsföretaget kopplat till den danska läkemedelsjätten Novo Nordisk (NVO ). 

Phasecrafts algoritmer, dess VD Ashley Montanaro, tror, kommer att kunna köra “vetenskapligt viktiga” beräkningar “nästa vår”, och vissa kommersiellt användbara tillämpningar kan vara tillgängliga “inom de närmaste åren”.

Det finns nu ett växande intresse för algoritmer. Nyligen påstod en forskare på Google att ha utvecklat en 20‑faldig minskning av skalan på en kvantdator som behövs för att köra Shors algoritm, som kan användas för att knäcka dagens mest använda former av kryptering. 

Som svar har utvecklaren Hunter Beast introducerat BIP 360 i ett försök att göra Bitcoin (BTC) motståndskraftig mot kvantberäkning.

Samtidigt har kvantdatorföretaget Norma validerat prestandan hos sina kvant‑AI‑algoritmer för läkemedelsutveckling med hjälp av NVIDIA (NVDA ) CUDA‑Q, och observerat beräkningshastigheter cirka 73 gånger snabbare.

Investering i kvantberäkning

Många stora namn bedriver forskning inom supraledande kvantberäkning, och det inkluderar IBM (IBM ), Intel (INTC ) och många fler. Men idag ska vi titta på Honeywell International (HON ), som är starkt involverat i kvantberäkning genom sitt majoritetsägande i Quantinuum. 

Quantinuum, ett Honeywell International (HON ) företag

Quantinuum är ett kvantberäkningsföretag som bildades 2021 genom sammanslagningen av Cambridge Quantum och Honeywell Quantum Solutions. För att påskynda utvecklingen av feltoleranta kvantdatorer har det säkrat finansiering från investerare som JPMorgan Chase.

Förra året demonstrerade de de mest pålitliga logiska qubitarna någonsin. Quantinuum använde Microsofts banbrytande qubit‑virtualiseringssystem, med feldiagnostik och korrigering, på sin jonfångshårdvara för att köra mer än 14 000 individuella experiment utan ett enda fel. 

Förra månaden lanserade Quantinuum två nya öppen källkod‑programvarukomponenter, inklusive Guppy, ett språk som körs inuti Python, vilket dess VD Rajeeb Hazra har beskrivit som “ett paradigmskifte för utvecklare”, och en emulator kallad Selene, som är en “digital tvilling” som efterliknar kvantbeteendet för programmerare att testa och felsöka sin kod.

Den nya full‑stack‑plattformen förbereder lanseringen av Quantinuums nästa generations kvantdator Helios.

Således strävar företaget efter framsteg både inom kvantmaskinvara och mjukvara med sin forskning och kommersiella verksamhet som riktar sig mot AI, cybersäkerhet, kemisk simulering och andra tillämpningar.

Genom Quantinuum har Honeywell utvecklat fångade‑jon‑kvantdatorer, som använder elektromagnetiskt fångade joner som qubitar för högfidelitetsberäkningar, till kunder i olika sektorer, inklusive hälso‑ och sjukvård, finans och verktyg.

Det integrerade operativa företaget är främst involverat i tre megatrender, vilka är automation, flyg och energitransition. Samtidigt betjänar det genom några nyckelsegment:

• Luft- och rymdteknik
• Industriell automation
• Byggautomation och energi
• Hållbarhetslösningar

Med ett börsvärde på 139,36 miljarder dollar handlas HON-aktier, vid skrivande stund, till 218,40 dollar, ner 2,83 % år‑till‑datum. Den har en EPS (TTM) på 8,79 och ett P/E (TTM) på 24,96. Utdelningsavkastningen är samtidigt 2,06 %.

När det gäller finanser rapporterade Honeywell en försäljning på 10,4 miljarder dollar för andra kvartalet 2025. Vinst per aktie var 2,45 dollar, och justerad EPS var 2,75 dollar.

Under denna period slutförde företaget en försäljning av PPE‑verksamheten för 1,3 miljarder dollar, avslutade förvärvet av Sundyne för 2,2 miljarder dollar och tillkännagav ett förvärv av Johnson Mattheys katalysteknologiverksamhet för 1,8 miljarder pund. Företaget återköpte också 1,7 miljarder dollar av sina aktier.

VD Vimal Kapur påpekade betydelsen av att leverera “enastående resultat” med både organisk tillväxt och justerad EPS som överträffade vägledningen trots oförutsägbar makroekonomi.

“Med byggautomation i framkant växte tre av fyra segment med försäljning på mer än 5 % under kvartalet, vilket demonstrerar kraften i vårt Accelerator‑operativsystem att snabbt anpassa sig och driva tillväxt även när affärsvillkoren förändras,” sade Kapur samtidigt som han noterade “lovande resultat från vårt ökade fokus på ny produktinnovation, vilket ytterligare stödde tillväxten av vår rekordhöga orderstock.”

Slutsats

Kvantberäkning kan leda till betydande framsteg inom AI, hälso‑ och sjukvård, materialvetenskap, cybersäkerhet och andra industrier. Men framstegen för denna teknik beror inte bara på qubit‑prestanda utan också på förmågan att lagra kvantinformations på ett pålitligt sätt.

Caltech‑plattformen erbjuder en plan för att uppnå detta. Genom att integrera beräkning och minne i ett enda chip förflyttar den nya utvecklingen fältet närmare verkliga tillämpningar.

Klicka här för en lista över de fem bästa kvantdatorföretagen.

Referenser:

1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). Ett mekaniskt kvantminne för mikrovågsfotoner. Nature Physics, (förhandspublicering online), publicerad 13 augusti 2025. Mottagen 10 januari 2025; accepterad 17 juni 2025. https://www.securities.io/nyse/nvo/

2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universell kvantberäkning med Ising‑anyoner från en icke‑semisimpel topologisk kvantfältsteori. Nature Communications, 16, 6408, publicerad 5 augusti 2025. Mottagen 13 oktober 2024; accepterad 18 juni 2025. https://www.securities.io/nyse/ibm/

3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passiv demultiplexad tvåfotonstillståndsgenerering från en kvantpricka. npj Quantum Information, 11, 139, publicerad 11 augusti 2025. Mottagen 10 april 2025; accepterad 25 juli 2025. https://www.securities.io/nasdaq/hon/

4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. Ett högpresterande grundläggande nätverk av utbytbara supraledande qubit‑enheter. Nature Electronics, 8, 610–619, publicerad 27 juni 2025 (utgivningsdatum juli 2025). Mottagen 8 september 2024; accepterad 23 maj 2025. https://www.honeywell.com/us/en/company/quantum