Det aktuella tillståndet för kvantdatorer

Kvantberäkning är annorlunda

Kvantberäkning är idén att använda kvantfysik för att utföra beräkningar, vilket skiljer sig från vanliga halvledarbaserade beräkningsmetoder. Istället för att generera 0 och 1 (ingen ström eller ström) använder den ”kvantbitar”, kallade qubits, där partikeldata är antingen 0 OCH 1 samtidigt, eller 1, eller 0.

På grund av den grundläggande skillnaden i beräkningssättet är kvantberäkning inte så mycket ett alternativ till “normal” databehandling utan snarare ett komplement.

Standarddatabehandling fungerar på ett linjärt sätt och har svårt med mycket komplexa beräkningar, såsom klimatmodellering, kryptografi eller den 3D‑konfiguration av komplexa molekyler som proteiner. Och detta är precis den typ av beräkning som kvantberäkning förväntas excellera i.

Så, även om våra bärbara datorer och smartphones sannolikt aldrig kommer att bli kvantdatorer, kan de revolutionera vetenskaplig forskning.

Kvantberäkning är svår

Så, med löftet att kvantsuperdatorer kommer att prestera tusen gånger bättre än de befintliga, är det inte förvånande att mycket forskning har gjorts för att göra dem till verklighet.

Problemet är dock att skapa även en enda qubit är tekniskt mycket svårt. Den första svårigheten är att kvantberäkning endast fungerar vid ultralåga temperaturer, omkring ett hundra grader över den absoluta nollpunkten. Endast under dessa förhållanden blir vissa unika material superledare (material utan elektriskt motstånd). Detta är energikrävande, dyrt och svårt att uppnå.

Därefter är det också komplext att kontrollera, manipulera och ”läsa” data i en qubit, vilket vanligtvis innebär ultranoggranna laser, atommikroskop och sensorer. Slutligen gör varje störning qubiten oanvändbar, så ett perfekt vakuum måste också uppnås.

Medan halvledarchip manipulerar materia på skala som bara mäter några få atomer, strävar kvantberäkning efter att hantera materia på partikelnivå. Speciellt kommer en praktisk kvantdator att kräva tusentals qubits för att förbli stabila och interagera med varandra.

Kvantberäkning utvecklas

Överskrida tröskeln på 1 000 qubits

Ett team lett av professor Gerhard Birkl från forskningsgruppen “Atoms – Photons – Quanta” vid fysikavdelningen på TU Darmstadt i Tyskland har precis skapat den största kvantdatorn hittills.

De har skapat en kvantdator med 1 000 individuellt kontrollerbara atom‑qubits, vilket vann ett lopp i fältet mot många andra forskarlag.

Källa: Optica

1 000‑gränsen är delvis symbolisk men också ungefär det antal som förväntas krävas för meningsfulla tillämpningar av kvantdatorer. Mindre än så är de mest en vetenskaplig nyfikenhet och en lovande idé, men inte mycket mer.

Tekniken använder ”optiska pincettar”, som är speciella laser som kan manipulera atomerna individuellt. Tack vare framsteg inom mikro‑optik är detta den mest lovande tekniken inom kvantberäkning för en skalbar metod att bygga mycket större system.

Källa: Optica

“Eftersom antalet linsdelar per kvadratcentimeter lätt når 100 000 och MLA‑skivor med områden på flera hundra kvadratcentimeter kan produceras, har de enorm potential när det gäller skalbarhet, endast begränsad av den tillgängliga laserkraften”

Källa: Optica

Genom att förfina användningen av sådana optiska pincettar har Prof. Birkl demonstrerat att stora kvantdatorer med tusentals qubits kan konstrueras. Detta kommer i sin tur att ge det väsentliga verktyg som andra forskare behöver för att utföra kvantberäkningar.

Kvant‑simulatorer för att lösa fysik

Många problem som fysiker kämpar med idag är kopplade till partikelbeteende på kvantskalan, eller åtminstone så snart mer än 30 partiklar simuleras. Detta är ett problem eftersom vanliga datorsystem har svårt med det probabilistiska beteendet hos partiklar och kvantfysik i allmänhet.

För att lösa detta problem skulle den idealiska situationen vara att utveckla en “kvantsimulator” där qubits kan simulera beteendet hos kvantpartiklar. Detta beror på att qubits själva använder kvantegenskaperna sammanflätning (entanglement) och superposition (superposition), vilka är de delar som är så svåra att simulera i en vanlig dator.

Medan kvantsimulatorer i princip är en speciell typ av kvantdator, har problemet hittills varit att göra dem kapabla att simulera många olika partiklar istället för att behöva skräddarsy en kvantsimulator för varje specifik fysisk fråga.

Natalia Chepiga and her research group, assisterande professor vid Delft University of Technology i Nederländerna, kan ha hittat en lösning.

Hon föreslår ett protokoll som skapar en fullt kontrollerbar kvantsimulator i ett vetenskapligt artikel publicerad i Physical Review Letters. Detta fungerar genom att använda två laser med olika frekvenser eller färger, vilket lägger till en extra dimension till beräkningen. Teoretiskt kan denna metod utökas för att lägga till mer än 2 dimensioner till kvantsimulatorns kalkyl.

Källa: TU Delft

Denna typ av kvantsimulator kan vara en stor drivkraft i många forskningsinsatser i den allra framkant av vår nuvarande kunskap, inklusive ultrakall fysik (inklusive superledare), halvledare, materialvetenskap, telekommunikation och energiteknologier (särskilt batterier).

QuDits istället för qubits

De flesta kvantdatordesigner fokuserar på qubits och på att göra dem enklare att manipulera/programmera samt att lägga till fler av dem. Ett alternativ är att använda kvantdigitaler, eller ”qudits”.

“En kvantdator med x qubits kan utföra 2^x beräkningar. Däremot kan en maskin med x antal qudits, där D representerar antalet tillstånd per qudit, utföra D^x beräkningar.

Detta betyder att du kan koda samma information i färre kvantpartiklar när du använder qudits,”

Martin Ringbauer, en kvantfysiker vid University of Innsbruck i Österrike i IEEE Spectrum

I enklare termer, ju fler D-dimensioner ett kvantdatorsystem har, desto mer blir det exponentiellt kraftfullt. Förutom denna mer effektiva beräkning med qudits istället för qubits förväntas de vara mer pålitliga och mindre benägna att orsaka beräkningsfel än qubits.

Så är det stora nyheter att ett team av forskare ledd av Andrea Morello vid USNW i Australien har skapat ett 16-dimensionellt, högkontrollerat qudit‑beräkningssystem. Med D=16 ökar varje mängd qudits som läggs till systemet beräkningskapaciteten med en potens på 16.

För att uppnå detta använde de en 123Sb (antimon) donatoratom, som ionimplantades i en kisel‑nanoelektronisk enhet.

“Det kombinerade Hilbertrummet för atomen sträcker sig över 16 dimensioner och kan nås med både elektriska och magnetiska kontrollfält. Andrea Morello”

Detta system uppnådde anmärkningsvärda resultat; särskilt, “kärnspinnet visar redan grindfideliteter som överstiger 99 % oavsett drivmekanism”. Antimonatomen är också en förbättring jämfört med den tidigare använda 31P (fosfor), eftersom antimon är en tyngre atom och lättare att manipulera.

Denna tekniska och vetenskapliga prestation förbättras också ytterligare, särskilt genom att använda isotopiskt renat 28Si (kisel), ta bort kvarvarande 29Si‑koncentration och förbättra systemets pålitlighet (koherenstider och grindfideliteter).

Tillståndet för kvantdatorutveckling

Fältet är fortfarande i sin tidiga fas, med helt nya koncept som fortfarande dyker upp, såsom användbara qudits eller programmerbara kvantsimulatorer.

I kombination med framstegen i att skapa system med över 1 000 qubits visar detta att kvantberäkning sannolikt kommer att bli ett mycket viktigt vetenskapligt område under de kommande decennierna, med enorm outnyttjad potential.

För närvarande får forskning inom materialvetenskap eller biokemi ett lyft av AI, något vi diskuterade i vår artikel “Disruptive Industries Coalescing Around a Core Technology – Artificial Intelligence (AI)”.

Men snart, inom de kommande 5–10 åren, kan vi börja se praktiska resultat av kvantberäkningsberäkningar. Hårdvaran går nu från tankeexperiment och laboratoriedemonstrationer till prototyper av kommersiella forskningsdatorer.

Nästa steg blir att utveckla mjukvara som kan maximera potentialen i kvantberäkning — och börja producera kvantdatorer i skala för att minska kostnader och erbjuda viss standardisering.

Så, på många sätt befinner sig kvantberäkning i den fas där de första kommersiella datorhuvudena kom ut på 1950‑ och 1960‑talen innan de blev ett vanligt affärs‑ och forskningsverktyg under de följande decennierna.

Tillämpningar av kvantdatorer

Även om det är svårt att förutsäga helt, vet vi redan några segment som kommer att dra stor nytta av att kvantdatorer blir mer allmänt tillgängliga:

• Biokemisk modellering: från att bestämma ett proteins 3D‑form till genuttryck, beräkning av komplexa biologiska molekyler ner till atomer kan revolutionera bioteknologisk forskning.
• Klimatmodellering: Klimatmodeller är extraordinärt komplexa och sträcker sig till gränserna för vad nuvarande superdatorer kan göra. En bättre förståelse av klimatet, med en finare beräkningsskala i modellen, både geografiskt och tidsmässigt, kan hjälpa till att förstå riskerna med klimatförändringar.
• Halvledare: Kvantdatorer kan användas för att göra vanliga datorkretsar mycket kraftfullare. Med ”normala” kretsar som nu når nanometerskalan blir kvanteffekter alltmer problematiska, och kvantdatorer kan behövas för att lösa dem.
• Materialvetenskap: Att förstå kvantfysik bättre och materialens reaktion ner till enskilda atomer kan öppna nya designer för material som används inom rymdteknik, batterier, 3D‑utskrift, tillverkning, etc.
• Kryptografi: Kvantdatorer kan potentiellt göra alla nuvarande kryptografimetoder föråldrade. Detta är en allvarlig oro för militära, finansiella & IT‑system. Men samtidigt kan det göra kryptografi ännu säkrare.

Aktier inom kvantdatorer

1. International Business Machines Corporation

IBM Prisdiagram

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) var den ledande kraften bakom kommersialiseringen av den första stordatorn. Dock har den hamnat på efterkälken jämfört med andra teknikjättar som Apple (AAPL ), TSMC och NVIDIA.

Den är dock i framkant av utvecklingen av kvantdatorer. Till exempel utvecklade den sin 127‑qubits “Eagle” kvantdator, som följdes av ett 433‑qubits system känt som “Osprey”.

Och detta är nu följt av “Condor”, en 1,121 superledande qubit‑kvantprocessor baserad på cross‑resonance gate‑teknik, tillsammans med “Heron”, en kvantprocessor i fältets allra framkant.

Slutligen släppte IBM Qiskit 1.0 i februari 2024, det mest populära SDK‑et för kvantdatorer, med förbättringar i kretskonstruktion, kompileringshastighet och minnesförbrukning jämfört med tidigare versioner.

Framåt har IBM redan annonserat sitt nästa stora mål i förväntan på att dess nuvarande kvantchip ‘växer ur’ den nu använda infrastrukturen. Detta mål är känt som ‘IBM Quantum System Two’; ett modulärt system som har potential att stödja upp till 16 632 qubits.

IBMs styrka har alltid varit att utveckla ultrakraftfulla superdatorer, ett segment av marknaden som skuggats av konsumentelektronikens och standardiserade chips framväxt. Framväxten av kvantdatorer är ett tillfälle för IBM att åter glänsa och bli ledande i detta kommande viktiga segment av beräkning för vetenskaplig forskning och stora företagsbehov.

2. Microsoft Corporation

Redan en ledare inom ”vanliga” molntjänster, Microsoft (MSFT ) är en pionjär i att erbjuda kvantdatormolntjänster med Azure Quantum. Det är fullt möjligt att den största delen av kvantdatoranvändning i framtiden kommer att utföras av forskare ”på distans”, med förlitan på molntjänster som Microsofts, istället för direkt åtkomst till deras egen kvantdator.

Detta är särskilt sannolikt eftersom, i slutändan, de flesta kvantdatorapplikationer kommer att forskas av biokemister, materialvetenskapsexperter, klimatforskare och andra specialister utan specifik bakgrund i kvantdatorer. Så att förlita sig på dedikerade yrkespersoner på företag som IBM, Microsoft eller Google för att hantera beräkningsdelen är mer meningsfullt än att anställa eller utbilda personer som är nya inom området.

Tjänsten kan också erbjuda ”hybrid computing”, som blandar kvantdatorer med traditionell molnbaserad superdatorstjänst.

Källa: Microsoft

Istället för vertikal integration har Microsofts strategi för kvantdatorer varit att etablera partnerskap med ledare inom området som täcker praktiskt taget alla teknologier som behövs för att uppnå kvantdatorer, som IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), och Rigetti (RGTI).

Källa: Microsoft

Kvantberäkning är inte centralt för Microsofts verksamhet, åtminstone för närvarande. Det är dock en central aktör i sektorn och kan vara ett ”säkrare” aktieval jämfört med att direkt köpa aktier i dess kvantdatorpartners som är börsnoterade, som QCI eller Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google är mycket aktivt inom kvantdatorer, främst genom sitt Google Quantum AI‑lab och Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantdator skrev historia 2019 när Google påstod ha uppnått ”kvantsuveränitet” med sin Sycamore‑maskin, som utförde en beräkning på 200 sekunder som en konventionell superdator skulle ha behövt 10 000 år för.

Men kanske blir Googles största bidrag inom mjukvara, en aktivitet där de har en mycket bättre meritlista än hårdvara (sök, G Suite, Android, etc.). Redan nu erbjuder Googles Quantum AI en svit av mjukvara avsedd att hjälpa forskare att utveckla kvantalgoritmer.

Google kan sannolikt bli ett av företagen som sätter standarderna för kvantdatorprogramvara & programmering, vilket ger dem en privilegierad plats att styra fältets framtida utveckling.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum är resultatet av sammanslagningen av Honeywell Quantum Solutions och Cambridge Quantum (och, som nämnts, en partner till Microsofts kvantmolntjänster).

Quantinuum verkar för närvarande fokusera på segment som är mindre utforskade av andra kvantdatorsystem, särskilt finansiella och leveranskedjerelaterade analyser, genom sin Quantum Monte Carlo Integration (QMCI)‑motor, lanserad i september 2023.

QMCI tillämpas på problem som saknar analytisk lösning, såsom prissättning av finansiella derivat eller simulering av resultat från högenergifysikexperiment, och lovar beräkningsframsteg inom affärsverksamhet, energi, logistik i leveranskedjor och andra sektorer.

Precis som för Microsoft är kvantdatorer inte den centrala delen av Honeywells verksamhet, utan mer fokuserad på produkter inom rymdteknik, automation och specialkemikalier & material.

Men med tanke på att varje enskilt av dessa affärssegment kan dra nytta av kvantdatorer, är det inte svårt att se affärsfallet för Honeywell att engagera sig.

Detta gör Honeywell både till en leverantör av kvantdatorstjänster och till ett av de företag som kan dra nytta av tillämpningen av kvantdatorer i verkliga affärsscenarier, något som integrationen av Quantinuum i koncernen bör hjälpa till att främja i snabbare takt än dess industriella konkurrenter.

5. Intel

Intel (INTC ) är en stor chipproducent och verkar vilja utnyttja denna styrka inom kvantdatorområdet.

Den har nyligen släppt “Tunnel Falls”, den “ mest avancerade kisel‑spin‑qubit‑chipen”. Det anmärkningsvärda är att det inte är ett prototyp utan ett chip byggt i skala, med 95 % avkastning över hela wafer och spänningsuniformitet. Detta öppnar vägen för massproduktion av kvantdatorchip, något som hittills varit svårfångat i en ung och snabbt föränderlig industri.

Källa: Intel

Trofast sina rötter utvecklar Intel också mjukvara för att utnyttja sina chip, med lanseringen av Intel Quantum SDK. Detta ger riktlinjer för programmerare att utveckla mjukvara för kvantdatorer som är kompatibel med Intel kvantchipdesign, vilket historiskt har varit ett mycket starkt & lönsamt affärsskydd för Intels konventionella chipverksamhet.

Källa: Intel

Ankomsten av skalbar tillverkning av kvantchip kan vara lika revolutionerande för industrin som någon annan teknisk vetenskaplig genombrott, genom att sänka kostnader och etablera gemensamma programmeringsstandarder och chiparkitekturer.

Intel är ett företag som ur erfarenhet vet hur stark en sådan kraft kan vara i databranschen, fortfarande på dragningskraften av sina innovationer och tillhörande patent från 1960‑talen och framåt.

6. Defiance Quantum ETF

Kvantdatorsektorn är fortfarande mycket ung. Hittills har den mestadels tagits över av stora teknikföretag med djupa nog fickor för att finansiera miljarder dollar till denna typ av grundläggande forskning.

Dock är många andra mindre företag också aktiva inom området, vissa i partnerskap med nämnda jättar för att distribuera sin teknik.

Det kan vara en ganska svår uppgift för icke‑specialiserade investerare att förstå komplexiteten i de olika kvantdator‑teknologierna, än mindre att gissa vilka som blir kommersiellt framgångsrika.

Så, medan direktinvestering i små kvantdator‑startupföretag är ett alternativ, är ett annat att förlita sig på en ETF för att få exponering mot sektorn samtidigt som man diversifierar till en lägre kostnad.

Defiance Quantum ETF innehåller 69 olika aktier relaterade till kvantdatorer i dess innehav, inklusive kvantdator‑ och chip‑utvecklare, samt leverantörer av kylsystem, laser, mjukvara och annan teknik som används i kvantdatorer eller kvantchipproduktion.

Källa: Defiance ETF

I detta snabbt utvecklande område kommer de flesta investerare, även de som är bekanta med halvledarindustrin, sannolikt att dra nytta av en viss diversifiering. Så detta kan uppnås antingen genom att satsa på enskilda teknikjättar som gör rätt partnerskapsval eller med ett brett urval av aktier, något som ofta uppnås mer effektivt genom en dedikerad ETF.