Schallwellen ermöglichen Durchbruch bei der Speicherung von Quanteninformationen

Quantencomputing verspricht eine beispiellose Geschwindigkeit bei der Lösung komplexer Probleme und ermöglicht so Durchbrüche in den Bereichen KI, Finanzen, Logistik, Materialwissenschaften, Arzneimittelforschung und Kryptografie.

Doch obwohl das Potenzial dieser Technologie enorm ist, ist es nicht leicht, dies umzusetzen. In der Praxis hat es sich nämlich als äußerst schwierig erwiesen, Quantencomputer zum Laufen zu bringen und sie zur Lösung realer Probleme einzusetzen.

Quantencomputing ist noch eine experimentelle Technologie, mit Forschern arbeiten, auf Überwindung die Hindernisse aufführen genaue Simulationen von Phänomenen auf Quantenebene. Eines der Hauptprobleme besteht darin, Informationen für eine lange Zeit.

Dieser Der Grund hierfür liegt darin, dass supraleitende Qubits zwar über große Fähigkeiten zur Verarbeitung von Quanteninformationen verfügen, ihre Kohärenzzeiten jedoch eher begrenzt sind.

Kohärenz ist die Fähigkeit eines Quantensystems, die Beziehung zwischen verschiedenen Zuständen in einer Superposition aufrechtzuerhalten. Diese grundlegende Eigenschaft ermöglicht Qubits die Existenz einer linearen Kombination von Basiszuständen und ermöglicht so die Parallelität und Interferenz, die den Kern des Quantencomputings bilden. 

Die für die Durchführung von Quantenoperationen unabdingbare Kohärenz ist recht fragil und kann leicht verloren gehen durch selbst kleine Interaktionen mit der Umwelt.

Fehlt die Kohärenz, geht das Quantenverhalten des Qubits verloren, was Quantenberechnungen sinnlos macht. Dekohärenz hingegen ist der Prozess, durch den die Kohärenz verloren geht, und stellt nach wie vor eine große Herausforderung beim Bau und Betrieb von Quantencomputern dar.

Supraleitende Qubits sind eine physikalische Möglichkeit, Qubits zu realisieren, und ihre Funktion beruht auf der Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz. Aber natürlich, bleibt die Dekohärenz ihre größte Herausforderung.

Supraleitende Qubits sind winzige Schaltkreise aus speziellen Materialien, die Quantenphänomene wie Superposition und Verschränkung für Berechnungen nutzen. Die Materialien, aus denen ein Schaltkreis besteht, werden auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt, um sie supraleitend zu machen. Das bedeutet, dass sie Strom ohne Widerstand leiten können.

Während diese supraleitenden Qubits bemerkenswerte Leistungen bei schnellen Berechnungen erbringen, fällt es ihnen schwer, Informationen über längere Zeiträume zu speichern.

Eine Schnittstelle zwischen Photonen und Phononen könnte es jedoch ermöglichen, Quanteninformationen gespeichert werden in langlebigen mechanischen Oszillatoren. Ein Team am Caltech hat genau das getan: Sie haben eine Plattform eingeführt, die auf elektrostatischen Kräften in Nanostrukturen beruht, um eine starke Kopplung zwischen einem Qubit und einem nanomechanischen Oszillator zu erreichen.

Die Energieabklingzeit (T1) beträgt etwa 25 ms und übertrifft damit die in integrierten supraleitenden Schaltkreisen realisierten Werte.

Um die Ursachen der Dekohärenz zu erforschen und ihre Auswirkungen zu reduzieren, nutzte das Team Quantenoperationen. Durch den Einsatz von zweipulsigen dynamischen Entkopplungssequenzen gelang es ihnen, eine längere Kohärenzzeit (T2) von 1 ms zu erreichen, eine Verlängerung von 64 μs.

Der Erkenntnisse der Studien zeigen, dass in supraleitenden Geräten, mechanische Oszillatoren können als Quantenspeicher dienen, mit die Potenzial zu verwendet werden in den Bereichen Quantencomputing, Sensorik und Transduktion.

Wie Schallwellen Quantenzustände länger speichern

Herkömmliche Computer Google Trends, Amazons Bestseller Laptops und Telefone speichern Informationen in Form von Bits.

Bits sind die kleinste Einheit digitaler Informationen und grundlegende Teile der Logik, die entweder einen einzelnen Binärwert von Null oder Eins annehmen.

Quantencomputer können inzwischen einen Zustand annehmen, der gleichzeitig Null und Eins ist. Dies wird als Superposition bezeichnet. Genau darauf beruht das Versprechen des Quantencomputings, Probleme zu lösen, die für unsere klassischen Computer nicht zu bewältigen sind.

Viele existierende Quantencomputer basiert auf auf supraleitenden elektronischen Systemen, in denen Elektronen bei extrem niedrigen Temperaturen ohne Widerstand fließen. In diesen Systemen erzeugen Elektronen, wenn sie aufgrund ihrer quantenmechanischen Natur durch Resonatoren fließen, supraleitende Qubits.

Diese Qubits eignen sich hervorragend für die Durchführung logischer Operationen, die für die Datenverarbeitung erforderlich sind. Sie eignen sich jedoch nicht wirklich gut zum Speichern von Informationen, was wird repräsentiert durch mathematische Deskriptoren spezifischer Quantensysteme. 

Um die Speicherzeiten von Quantenzuständen zu erhöhen, haben Ingenieure den Bau von „Quantenspeichern“ für supraleitende Qubits untersucht.

Ein Wissenschaftlerteam des Caltech hat einen hybriden Weg zu diesen Quantenspeichern eingeschlagen. 

Mit diesem Ansatz konnten elektrische Informationen effektiv in Schall umgewandelt werden. Um Quanteninformationen in Schallwellen zu übersetzen, verwendeten sie ein winziges Gerät, das wie eine Miniatur-Stimmgabel funktioniert.

Dieser ermöglichte es, die Lebensdauer von Quantenzuständen um das Dreißigfache zu verlängern als mit anderen Techniken und legte damit den Grundstein für skalierbare, praktische Quantencomputer mit der Kapazität nicht nur berechnen aber denken Sie auch daran.

„Sobald Sie einen Quantenzustand erreicht haben, möchten Sie möglicherweise nicht sofort etwas damit anfangen. Sie müssen eine Möglichkeit haben, darauf zurückzukommen, wenn Sie eine logische Operation durchführen möchten. Dafür benötigen Sie ein Quantengedächtnis.“

– Mohammad Mirhosseini, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und angewandte Physik an der Caltech

Die Studie wurde durch die National Science Foundation und das Air Force Office of Scientific Research gefördert. geführt wurde von den Caltech-Doktoranden Alkim Bozkurt und Omid Golami und wurde veröffentlicht¹ in der Zeitschrift Nature Physics.

Es beschreibt detailliert die Herstellung eines supraleitenden Qubits auf einem Chip, der wurde dann angeschlossen zu einem winzigen Gerät, das als mechanischer Oszillator bezeichnet wird.

Ein mechanischer Oszillator ist ein System, das eine oszillierende Bewegung ausführt. im Wesentlichen eine Mini-Stimmgabel, die im Fall dieser Studie aus flexiblen Platten besteht. Diese Platten sind vibriert mithilfe von Schallwellen im Gigahertz-Bereich (GHz).

Als das Team eine elektrische Ladung auf diese flexiblen Platten legte, konnten diese mit elektrischen Signalen interagieren, die Quanteninformationen trugen. Dadurch konnten diese in das Gerät übertragen und dort als „Speicher“ gespeichert und später wieder übertragen oder „erinnert“ werden.

Die Forscher haben gemessen wie lange Es dauerte, bis der Oszillator seinen Quanteninhalt verlor, sobald Informationen in das Gerät eintraten. 

„Es stellt sich heraus, dass diese Oszillatoren eine etwa 30-mal längere Lebensdauer haben als die besten supraleitenden Qubits auf dem Markt.“

– Mirhosseini

Diese Methode zum Aufbau eines Quantenspeichers hat verschiedene Vorteile gegenüber anderen Techniken. Beispielsweise breiten sich akustische Wellen viel langsamer aus als elektromagnetische Wellen, was kompaktere Geräte ermöglicht.

Elektromagnetische (EM) Wellen sind Querwellen oszillierender elektrischer und magnetischer Felder, die Energie durch den Raum transportieren. Sie entstehen durch die Beschleunigung geladener Teilchen und umfassen ein Spektrum, das Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlen umfasst. 

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Alle elektromagnetischen Strahlungen bewegen sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit und benötigen für ihre Ausbreitung kein Medium.

Akustische Wellen hingegen sind mechanische Wellen, wie Schallwellen, die Energie durch ein Medium wie Feststoff, Flüssigkeit oder Gas übertragen, indem sie die Partikel des Mediums zum Schwingen, Komprimieren und Ausdehnen bringen. Diese Wellen sind dadurch gekennzeichnet durch Eigenschaften wie Frequenz, Amplitude und Wellenlänge. Akustische Wellen umfassen einen Frequenzbereich, einschließlich Infraschall und Ultraschall.

Da sich mechanische Schwingungen im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen nicht im freien Raum ausbreiten, entweicht die Energie nicht aus dem System. und kann stärker in einem Medium eingeschlossen sein, was längere Speicherzeiten ermöglicht und einen unerwünschten Energieaustausch zwischen benachbarten Geräten abschwächt.

Diese Vorteile bieten die Möglichkeit vieler solcher Stimmgabeln enthalten sein in einem einzigen Chip, der eine skalierbare Weg, zu Quantenspeichern.

Laut Mirhosseini zeigt die Studie eine minimale Wechselwirkung zwischen akustischen und elektromagnetischen Wellen erforderlich um den Wert dieses Hybridsystems für die Verwendung als Speicherelement zu untersuchen. 

„Damit diese Plattform wirklich für das Quantencomputing nützlich ist, muss man Quantendaten viel schneller in das System einspeisen und wieder herausholen können. Und das bedeutet, dass wir Wege finden müssen, die Interaktionsrate um den Faktor drei bis zehn zu erhöhen, im Vergleich zu dem, was unser aktuelles System leisten kann“, sagte Mirhosseini. Und das Team hat Ideen um wie man das erreicht.

Quanten-Hardware und -Software: Weg zur kommerziellen Nutzung

An dem neuen Gerät, das die Wissenschaftler des Caltech entwickelt haben, wird schon seit einiger Zeit gearbeitet.

Vor einigen Jahren, in ihrer früheren Arbeit, hat das Team zeigte dieser Klang, insbesondere Phononen, welche sind einzelne Schwingungsteilchen ähnlich wie wie Photonen sind, könnte eine einfache Möglichkeit bieten, Quanteninformationen zu speichern.

Zu dieser Zeit war Mirhosseinis Gruppe zeigte Sie nutzten die neue Methode im Labor, wo sie Phononen erforschten, da es relativ einfach war, kleine Geräte zu bauen, die diese mechanischen Wellen speichern können.

Das Team testete in Experimenten Geräte, die für die Kombination mit supraleitenden Qubits geeignet schienen, da sie mit denselben sehr hohen GHz-Frequenzen arbeiten.

Menschen hören im Hertz- bis Kilohertz-Bereich (bis zu ~20 kHz), während die Geräte im Gigahertz-Bereich (Milliarden Zyklen pro Sekunde) arbeiten – also mit einer etwa 50,000-mal höheren Frequenz.

Die getesteten Geräte hatten außerdem eine lange Lebensdauer und zeigten bei den niedrigen Temperaturen, die zur Erhaltung der Quantenzustände bei supraleitenden Qubits erforderlich sind, eine gute Leistung.

Wie Mirhosseini damals bemerkte, befassten sich andere Studien mit Piezoelektrika, einem speziellen Materialtyp, als Möglichkeit, mechanische Energie in elektrische Energie in Quantenanwendungen umzuwandeln. Er fügte hinzu:

„Diese Materialien neigen jedoch dazu, Energieverluste bei elektrischen Wellen und Schallwellen zu verursachen, und Verluste sind in der Quantenwelt ein großes Problem.“

Die vom Caltech-Team entwickelte neuartige Technik hingegen ist nicht auf die Eigenschaften bestimmter Materialien angewiesen und eignet sich daher für etablierte mikrowellenbasierte Quantengeräte.

Der Bau effektiver Speichergeräte mit kompakter Größe ist eine weitere Herausforderung für diejenigen, die Quantenanwendungen erforschen.

Diese Herausforderung wird auch angesprochen durch die neue Methode, die „die Speicherung von Quanteninformationen aus elektrischen Schaltkreisen für eine um zwei Größenordnungen längere Zeit ermöglicht als andere kompakte mechanische Geräte“, sagte der leitende Studienautor Bozkurt, ein Doktorand in Mirhosseinis Gruppe.

Die Schallwellenplattform des Caltech ist zwar vielversprechend, stellt aber nur einen Teil eines viel größeren Forschungsprojekts dar, das weltweit an verschiedenen Institutionen durchgeführt wird. Wissenschaftler testen verschiedene Methoden, um die Herausforderungen von Quantencomputern zu meistern. 

Forscher der University of Southern California haben beispielsweise wandte sich der Mathematik zu².

Sie verwenden Neglectonen, um einige der Probleme mit topologischen Qubits zu lösen. Diese Klasse theoretischer Teilchen, die genannt werden wie für die Art und Weise, wie sie wurden abgeleitet von übersehenen theoretischen Mathe, könnte einen neuen Weg zur experimentellen Realisierung universeller topologischer Quantencomputer eröffnen.

„Mein Ziel ist es, anderen Forschern möglichst überzeugend darzulegen, dass das nicht-halbeinfache Rahmenwerk nicht nur gültig ist, sondern auch einen spannenden Ansatz für ein besseres Verständnis der Quantentheorie darstellt.“

– Co-Autor Aaron Lauda

Mit einem anderen Ansatz kontrollieren Wissenschaftler inzwischen das von Quantenpunkten emittierte Licht, was zu billigeren, schnelleren und natürlich praktischeren Quantentechnologien führen kann.

Dafür ist die Forschungskooperation fand neue Methode³ Das Verfahren basiert auf der stimulierten Zwei-Photonen-Anregung und ermöglicht es Quantenpunkten, Photonenströme in unterschiedlichen Polarisationszuständen zu emittieren, ohne dass elektronische Schalthardware erforderlich ist. Beim Testen stellten die Forscher waren in der Lage zu erfolgreich produziert ausgezeichnete Zwei-Photonen-Zustände, während Aufbewahrung bemerkenswerte Einzelphotoneneigenschaften.

„Was diesen Ansatz besonders elegant macht, ist, dass wir die Komplexität von teuren, verlustbehafteten elektronischen Komponenten nach der Einzelphotonenemission in die optische Anregungsphase verlagert haben. Dies ist ein bedeutender Schritt nach vorn, um Quantenpunktquellen für reale Anwendungen praktikabler zu machen.“

– Leitender Forscher, Vikas Remesh

Dann gibt es noch das Team vom Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign, das präsentierte ein leistungsstarkes modulares Design⁴ für supraleitende Quantenprozessoren mit ~99 % Wiedergabetreue. 

Im Gegensatz zu den restriktiven monolithischen Designs bietet die modulare Architektur eine größere Skalierbarkeit, einfachere Verbesserungen und Widerstandsfähigkeit gegenüber Inkonsistenzen.

Während sich die meisten Bemühungen weiterhin auf den Hardware-Teil von Quantencomputern konzentrieren, ist nun eine Verlagerung hin zur Software zu beobachten, da die Menschen glauben, dass die Technologie „an der Schwelle zur kommerziellen Rentabilität”, und daher muss etwas Sinnvolles mit ihnen getan werden.

In diesem Zusammenhang sammelte das Quantenalgorithmus-Unternehmen Phasecraft 34 Millionen Dollar von mehreren Geldgebern ein, darunter auch von der Investmentgesellschaft, die mit dem dänischen Pharmariesen verbunden ist. Novo Nordisk (NVO -1.62 %). 

Phasecrafts Algorithmen, sein CEO, Ashley Montanaro, glaubt, wird bis zum „nächsten Frühjahr“ in der Lage sein, „wissenschaftlich wichtige“ Berechnungen durchzuführen, und einige kommerziell nützliche Anwendungen könnten „innerhalb der nächsten paar Jahre“ verfügbar sein.

Das Interesse an Algorithmen wächst. Kürzlich behauptete ein Forscher bei Google, er habe eine 20-fache Reduzierung der Größe eines Quantencomputers entwickelt, der für die Ausführung von Shors Algorithmus erforderlich ist. Dies kann verwendet werden um die heute am weitesten verbreiteten Verschlüsselungsformen zu knacken. 

Als Reaktion darauf hat der Entwickler Hunter Beast BIP 360 eingeführt in dem Versuch, Bitcoin (BTC) resistent gegen Quantencomputer zu machen.

Unterdessen validierte das Quantencomputerunternehmen Norma die Leistung seiner Quanten-KI-Algorithmen für die Arzneimittelentwicklung mithilfe von NVIDIA CUDA-Q und stellte dabei eine etwa 73-mal höhere Rechengeschwindigkeit fest.

In Quantencomputing investieren

Viele große Namen forschen im Bereich supraleitender Quantencomputer, darunter IBM (IBM + 0.55%), Intel (INTC -0.49 %)und viele mehr. Aber heute schauen wir uns an Honeywell international (HON -0.42 %), das durch seine Mehrheitsbeteiligung an Quantinuum stark im Bereich Quantencomputing engagiert ist. 

Quantumuum, A Honeywell international (HON -0.42 %) Firma

Quantinuum ist ein Quantencomputerunternehmen, das 2021 durch die Fusion von Cambridge Quantum und Honeywell Quantenlösungen. Um Die Entwicklung fehlertoleranter Quantencomputer zu beschleunigen, hat es sich Finanzierung von Investoren gesichert Google Trends, Amazons Bestseller JPMorgan Chase.

Letztes Jahr ist es Leistungsumfang die zuverlässigsten logischen Qubits aller Zeiten. Quantinuum hat Microsofts bahnbrechendes Qubit-Virtualisierungssystem mit Fehlerdiagnose und -korrektur auf seine Ionenfallen-Hardware angewendet, um mehr als 14,000 einzelne Experimente ohne einen einzigen Fehler durchzuführen. 

Letzten Monat, Quantumuum ins Leben gerufen zwei neue Open-Source-Softwarekomponenten, darunter Guppy, eine in Python gehostete Sprache, die von ihrem CEO Rajeeb Hazra als „Paradigmenwechsel für Entwickler“ beschrieben wurde, und ein Emulator namens Selene, ein „digitaler Zwilling“, der das Quantenverhalten nachahmt, damit Programmierer ihren Code testen und debuggen können.

Die neue Full-Stack-Plattform ist eine Vorbereitung auf die bevorstehende Markteinführung des Quantencomputers Helios der nächsten Generation von Quantinuum.

So, das Das Unternehmen strebt mit seinen Forschungs- und Geschäftsaktivitäten, die auf KI, Cybersicherheit, chemische Simulation und andere Anwendungen abzielen, Fortschritte sowohl in der Quantenhardware als auch in der Quantensoftware an.

Mit Quantinuum hat Honeywell Quantencomputer mit Ionenfallen entwickelt, die - elektromagnetisch gefangene Ionen als Qubits für hochpräzise Berechnungen, an Kunden in verschiedenen Sektoren, darunter Gesundheitswesen, Finanzen und Versorgungsunternehmen.

Die integrierte Betriebsgesellschaft ist hauptsächlich beteiligt an drei Megatrends, welche sind Automatisierung, Luftfahrt und Energiewende. Inzwischen bedient es einige Schlüsselsegmente:

• Luft- und Raumfahrttechnologien
• Industrial Automation
• Gebäudeautomation und Energie
• Nachhaltigkeitslösungen

Bei einer Marktkapitalisierung von 139.36 Milliarden US-Dollar notieren die HON-Aktien zum Zeitpunkt des Schreibens bei 218.40 US-Dollar, ein Rückgang von 2.83 % seit Jahresbeginn. Der Gewinn pro Aktie (EPS) beträgt 8.79 und das KGV (KGV) 24.96. Die Dividendenrendite beträgt 2.06 %.

Was die Finanzen betrifft, meldete Honeywell für das zweite Quartal 10.4 einen Umsatz von 2025 Milliarden US-Dollar. Der Gewinn pro Aktie lag bei 2.45 US-Dollar und der bereinigte Gewinn pro Aktie bei 2.75 US-Dollar.

In diesem Zeitraum schloss das Unternehmen den Verkauf des PSA-Geschäfts im Wert von 1.3 Milliarden US-Dollar ab, schloss die Übernahme von Sundyne im Wert von 2.2 Milliarden US-Dollar ab und kündigte die Übernahme des Katalysatorengeschäfts von Johnson Matthey im Wert von 1.8 Milliarden Pfund an. Das Unternehmen kaufte außerdem eigene Aktien im Wert von 1.7 Milliarden US-Dollar zurück.

CEO Vimal Kapur betonte die Bedeutung der Erzielung „herausragender Ergebnisse“, wobei sowohl das organische Wachstum als auch der bereinigte Gewinn pro Aktie trotz unvorhersehbarer makroökonomischer Faktoren die Prognosen übertrafen.

„Mit der Gebäudeautomation an der Spitze verzeichneten drei von vier Segmenten im Quartal ein Umsatzwachstum von über 5 %. Dies zeigt, wie leistungsfähig unser Accelerator-Betriebssystem ist, sich schnell anzupassen und das Wachstum auch bei veränderten Geschäftsbedingungen voranzutreiben“, sagte Kapur und verwies auf „vielversprechende Ergebnisse aus unserer verstärkten Konzentration auf Produktinnovationen, die das Wachstum unseres Rekordauftragsbestands weiter unterstützt haben.“

Fazit

Quantencomputing kann zu bedeutenden Fortschritten in der KI, im Gesundheitswesen, in der Materialwissenschaft, in der Cybersicherheit und in anderen Branchen führen. Der Fortschritt dieser Technologie hängt jedoch nicht nur von Qubit-Leistung sondern auch auf der Fähigkeit, Quanteninformationen zuverlässig zu speichern.

Die Caltech-Plattform bietet einen Plan, um dies zu erreichen. Durch die Integration von Rechenleistung und Speicher in einem einzigen Chip bringt die neue Entwicklung das Feld näher an reale Anwendungen heran.

Klicken Sie hier, um eine Liste der fünf besten Unternehmen im Bereich Quantencomputer anzuzeigen.

References:

1. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., Tian, ​​H. & Mirhosseini, M. (2025). Ein mechanischer Quantenspeicher für Mikrowellenphotonen. Naturphysik, (Vorabveröffentlichung im Internet), veröffentlicht am 13. August 2025. Eingegangen am 10. Januar 2025; angenommen am 17. Juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universelle Quantenberechnung unter Verwendung von Ising-Anyonen aus einer nicht-halbeinfachen topologischen Quantenfeldtheorie. Nature Communications veröffentlicht , 16, 6408, veröffentlicht am 05. August 2025. Empfangen am 13. Oktober 2024; angenommen am 18. Juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passive demultiplexte Zwei-Photonen-Zustandserzeugung aus einem Quantenpunkt. npj Quanteninformationen, 11, 139, veröffentlicht am 11. August 2025. Empfangen am 10. April 2025; angenommen am 25. Juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. Ein hocheffizientes elementares Netzwerk aus austauschbaren supraleitenden Qubit-Geräten. Naturelektronik, 8, 610–619, veröffentlicht am 27. Juni 2025 (Ausgabedatum Juli 2025). Eingegangen am 08. September 2024; angenommen am 23. Mai 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3