Kvantdatorer kommer att behöva ett stort antal kvantbitar för att kunna hantera svåra problem inom fysik, kemi och andra områden. Till skillnad från klassiska bitar kan kvantbitar existera i två tillstånd samtidigt – ett fenomen som kallas superposition. Denna egenhet inom kvantfysiken ger kvantdatorer potential att utföra vissa komplexa beräkningar bättre än sina klassiska motsvarigheter, men det innebär också att kvantbitarna är ömtåliga. För att kompensera för detta bygger forskare kvantdatorer med extra, redundanta kvantbitar för att korrigera eventuella fel. Det är därför robusta kvantdatorer kommer att kräva hundratusentals kvantbitar.
Nu, i ett steg mot denna vision, har fysiker vid Caltech skapat den största kvantbitar-matrisen som någonsin har byggts: 6 100 neutrala atomkvantbitar fångade i ett rutnät med hjälp av lasrar. Tidigare matriser av detta slag innehöll endast hundratals kvantbitar.
Denna milstolpe kommer mitt i en snabbt växande kapplöpning om att skala upp kvantdatorer. Det finns flera metoder under utveckling, bland annat sådana som baseras på superledande kretsar, infångade joner och neutrala atomer, som används i den nya studien.
”Detta är en spännande tid för kvantdatorer med neutrala atomer”, säger Manuel Endres, professor i fysik vid Caltech. ”Vi kan nu se en väg framåt mot stora felkorrigerade kvantdatorer. Byggstenarna är på plats.” Endres är huvudforskare för den forskning som publiceras idag i Nature. Tre doktorander vid Caltech ledde studien: Hannah Manetsch, Gyohei Nomura och Elie Bataille.
Teamet använde optiska pincetter – högt fokuserade laserstrålar – för att fånga tusentals enskilda cesiumatomer i ett rutnät. För att bygga upp atommatrisen delade forskarna upp en laserstråle i 12 000 pincetter, som tillsammans höll 6 100 atomer i en vakuumkammare. ”På skärmen kan vi faktiskt se varje kvantbit som en ljuspunkt”, säger Manetsch. ”Det är en slående bild av kvantmaskinvara i stor skala.”
En viktig prestation var att visa att denna större skala inte gick ut över kvaliteten. Även med mer än 6 000 kvantbitar i en enda matris höll teamet dem i superposition i cirka 13 sekunder – nästan tio gånger längre än vad som var möjligt i tidigare liknande matriser – samtidigt som de manipulerade enskilda kvantbitar med 99,98 % noggrannhet.
”Stor skala, med fler atomer, anses ofta gå ut över noggrannheten, men våra resultat visar att vi kan göra båda”, säger Nomura. ”Qubits är inte användbara utan kvalitet. Nu har vi både kvantitet och kvalitet.”
Teamet visade också att de kunde flytta atomerna hundratals mikrometer över matrisen samtidigt som de bibehöll superpositionen. Förmågan att flytta qubits är en viktig egenskap hos kvantdatorer med neutrala atomer som möjliggör effektivare felkorrigering jämfört med traditionella, fast kopplade plattformar som supraledande qubits.
En kammare som innehåller 6 100 laserfångade atomer i ett ultrahögt vakuum. Källa: Caltech/Lance Hayashida
Manetsch jämför uppgiften att flytta enskilda atomer samtidigt som de hålls i ett superpositionsläge med att balansera ett glas vatten medan man springer. ”Att försöka hålla ett atom medan man rör sig är som att försöka att inte välta glaset med vatten. Att också försöka hålla atomen i ett superpositionsläge är som att vara försiktig så att man inte springer så fort att vattnet stänker över”, säger hon.
Nästa stora milstolpe för området är att implementera kvantfelkorrigering i skala av tusentals fysiska kvantbitar, och detta arbete visar att neutrala atomer är en stark kandidat för att nå dit.
”Kvantdatorer måste koda information på ett sätt som är tolerant mot fel, så att vi faktiskt kan göra värdefulla beräkningar”, säger Bataille. ”Till skillnad från klassiska datorer kan kvantbitar inte bara kopieras på grund av den så kallade no-cloning-teoremet, så felkorrigering måste förlita sig på mer subtila strategier.”
Framöver planerar forskarna att koppla samman kvantbitarna i sin matris i ett tillstånd av entanglement, där partiklarna blir korrelerade och beter sig som en enhet. Entanglement är ett nödvändigt steg för kvantdatorer att gå vidare från att bara lagra information i superposition; entanglement gör det möjligt för dem att börja utföra fullständiga kvantberäkningar. Det är också det som ger kvantdatorer deras ultimata kraft – förmågan att simulera naturen själv, där entanglement formar materiens beteende på alla nivåer.
Målet är tydligt: att utnyttja entanglement för att låsa upp nya vetenskapliga upptäckter, från att avslöja nya faser av materia till att vägleda utformningen av nya material och modellera kvantfält som styr rumtiden.
”Det är spännande att vi skapar maskiner som hjälper oss att lära oss om universum på sätt som bara kvantmekaniken kan lära oss”, säger Manetsch.
Mer information: Manetsch, H.J., Nomura, G., Bataille, E. et al. A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09641-4 www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4
