Kvantové počítače
Tohle je velká novinka, možná novinka roku. Společnost Microsoft oznámila významný pokrok ve vývoji kvantových počítačů s představením svého prvního funkčního topologického qubitového zařízení nazvaného Majorana 1. Tento čip využívá nově objevený stav hmoty zvaný „topokonduktor“, který umožňuje tvorbu stabilních qubitů pomocí Majoranových částic. Majorana obsahuje jeden topologický qubit, ale škálování na větší počet by snad prý neměl být velký problém (avšak toto je obecné PR prohlášení, které píšou všichni). Microsoft už na to má roadmapu.
A nyní pár detailů: Tato technologie využívá Majoranovy nulové módy (MZMs) – teoretické částice, které umožňují uložení kvantové informace v nelokální podobě, což výrazně zvyšuje odolnost proti chybám. K dosažení tohoto průlomu Microsoft vyvinul nový typ materiálu nazvaný topokonduktor, tvořený vrstvami hliníku, mezivrstvy a polovodiče na bázi arsenidu india, pečlivě uspořádanými metodou molekulární epitaxe. Zařízení je chlazeno na extrémně nízké teploty a provozováno v magnetickém poli. Čtení stavu qubitu probíhá pomocí kvantové tečky, která měří změnu kapacitance na základě lichého nebo sudého počtu elektronů s extrémní citlivostí. Architektura Majorana 1 využívá tzv. tetrons, kde každý qubit sestává ze čtyř MZMs ovládaných digitálními „cutter gates“. To umožňuje měření založené na kvantových stavech, což je alternativa ke klasickým kvantovým branám. Microsoft implementuje Hasting-Haah Floquet kód, který je optimalizovaný pro tuto architekturu a umožňuje škálovatelné opravy chyb. Díky velmi malé velikosti qubitů (10 × 10 mikronů) lze milion qubitů integrovat na jediný čip o velikosti sušenky Graham cracker. Tento přístup minimalizuje potřebu složitých kvantových sítí propojujících více modulů, což snižuje náklady a technickou složitost.
Obecně, topologický qubit ukládá kvantovou informaci do topologických vlastností materiálu, například pomocí tzv. Majoranových nulových módů. Díky uložení informace v nelokálním uspořádání je takový qubit výrazně odolnější vůči lokálnímu šumu a chybám (kterých je velká většina z nich), což usnadňuje implementaci efektivních chybových oprav a škálování kvantových počítačů.
DARPA nedávno přezkoumala plán Microsoftu v rámci programu US2QC a poskytla podporu pro další fázi vývoje. To naznačuje důvěru v tuto technologii a její potenciál. Microsoft očekává, že díky této inovaci dosáhne praktických kvantových výpočtů v řádu tisíců až desítek tisíc logických qubitů, čímž umožní výpočty v chemii, materiálových vědách a dalších oblastech, které jsou mimo dosah klasických počítačů. I když stále existují technické výzvy, tento vývoj představuje vážného konkurenta v závodu o škálovatelné kvantové počítače.
Na druhou stranu je tu i skepse. Součástí oznámení Microsoftu je i vydání článku v Nature. Zde jsou například pochyby, že oponentem byl člověk, který dříve pro Microsoft pracoval a byl zapojen do předchozích výzkumů, kde oznámili topologické materiály, ale pak se publikace musely vzít zpět (nelze nutně přímo vinit Microsoft, práce to byla především několika univerzitních pracovišť). Další pochyby jsou, že daný článek v Nature spíše popisuje vyčítání topologických qubitů. Není to nutně práce, která by provedla veškerá měření, která by nepochybně potvrdila, že se jedná o topologický qubit se všemi vlastnostmi, které by to mělo být. Výše zmíněný článek do Nature poslali již před rokem a tehdy ještě opravdu neměli důkaz o topologickém qubitu. K tomu je jiný novější článek, který je stále v recenzním řízení.
Článek v Nature
My to tady samozřejmě budeme sledovat. Buď to bude opět velký trapas, nebo opravdu velký průlom. Pořád platí, že skutečný topologický qubit je něco jako svatý grál.
Rozložení zobrazující 1 qubit, 2 qubity, 8 qubitů a 27 × 13 fyzických qubitů, které tvoří 2 logické qubity
Společnost Pasqal (dělá na kvantových počítačích z neutrálních atomů) otevřela svou komunitu pro kvantové nadšence, včetně výzkumníků, studentů, vývojářů a inovátorů s cílem podpořit spolupráci, vzdělávání a inovace v oblasti kvantového počítání. Tato iniciativa nabízí interaktivní vzdělávací platformu Pasqal Quantum Quest, přístup k open source nástrojům pro vývoj kvantových algoritmů a příležitosti k zapojení do globální sítě prostřednictvím specializovaného Slack prostoru a exkluzivních událostí.
Společnost Infleqtion oznámila úspěšnou demonstraci pole 16 × 16 neutrálních atomů. Tento milník, dosažený v rámci britského projektu SQALE (Scalable Quantum Atomic Lattice computing tEstbed), představuje klíčový krok směrem k vývoji škálovatelných kvantových procesorů. Projekt SQALE se zaměřuje na pokrok v kvantovém počítání s neutrálními atomy prostřednictvím zdokonalení operací, jako je přeskupování atomů, příprava a měření stavů a realizace lokálních i globálních kvantových hradel. Infleqtion spolupracuje s partnery, včetně Riverlane, QinetiQ a Oxfordshire City Council, na zlepšení věrnosti kvantových hradel, škálování architektur s neutrálními atomy a hodnocení výkonu pro reálné aplikace v optimalizaci, materiálových vědách a umělé inteligenci.
Pole 16×16 neutrálních atomů pracujících jako qubity
SaxonQ, mladý kvantový startup z Německa, oznámil, že jeho přenosný kvantový počítač byl přijat dvěma významnými výzkumnými institucemi: Německým střediskem pro letectví a kosmonautiku (DLR) a Fraunhoferovým institutem pro obráběcí stroje a tvářecí techniku (IWU). DLR úspěšně otestovalo čtyřqubitový demonstrátor používající qubity na bázi NV center od SaxonQ v rámci své iniciativy pro kvantové výpočty, což umožňuje partnerům DLR zkoumat nové aplikace kvantových technologií v průmyslu. Fraunhofer IWU plánuje nasadit systém SaxonQ pro optimalizaci průmyslové výroby, benchmarking hardwaru a školení v oblasti kvantových technologií.
Výzkumníci z QuTech úspěšně předvedli čtyřqubitový systém využívající osm germanium kvantových teček, což představuje významný pokrok v oblasti polovodičových kvantových počítačů. Ve studii publikované v Nature Nanotechnology tým dosáhl vysoké přesnosti při ovládání qubitů pomocí hradlových elektrod, přičemž fidelita operací s jednotlivými qubity přesáhla 99,49 procenta. Navíc se jim podařilo přenést provázanost mezi qubity, které nejsou spolu přímo propojené qubity, s fidelitou 75 procent prostřednictvím procesu známého jako entanglement swapping. Tyto výsledky potvrzují potenciál germania jako materiálu pro škálovatelné kvantové architektury díky jeho vlastnostem, jako je spin-orbitální vazba, nízká citlivost na šum a možnost elektrického ovládání.
Kvantové algoritmy a software
Společnosti D-Wave Quantum a Staque vyvinuly komerční hybridní kvantovou aplikaci určenou k optimalizaci pohybu autonomních zemědělských vozidel. Tato aplikace simuluje a optimalizuje operace autonomních a poloautonomních strojů na polích v reálném čase. Řeší složité problémy s trasováním robotů v zemědělském prostředí, které jsou pro klasické počítače obtížně řešitelné. Využitím hybridních kvantových technologií D-Wave aplikace dosahuje výrazného zrychlení oproti tradičním metodám, což umožňuje efektivnější rozhodování v zemědělských operacích. Avšak, jak vždy říkám u kvantových optimalizací, je otázka jak moc je to zásluha „kvanta“, anebo že se někdo pořádně optimalizací vůbec zabýval.
Kvantová bezpečnost
A na trhu je nový hráč. Firma enQase představila novou platformu pro kvantově bezpečné zabezpečení dat, která kombinuje postkvantovou kryptografii (PQC) s kvantovými technologiemi, jako jsou generátory kvantově náhodných čísel (QRNG) a kvantová distribuce klíčů (QKD). Tato integrace nabízí hybridní systém distribuce klíčů, který posiluje ochranu citlivých informací proti budoucím hrozbám kvantových útoků. Platforma enQase je navržena pro flexibilní nasazení, včetně modelů SaaS, PaaS, trvalých licencí a on-premise řešení, což zajišťuje kompatibilitu se stávajícími infrastrukturami a soulad s bezpečnostními standardy NIST a ETSI.
Vědci ze Sorbonne University navrhli nový protokol pro zvýšení soukromí v kvantových senzorových sítích (QSN). Tento protokol využívá kvantovou Fisherovu informační matici (QFIM) k optimalizaci kvantových stavů v síti, což minimalizuje únik informací k potenciálním útočníkům. Zavedením konceptu kvazisoukromí (-privacy) tým ukázal, jak lze dosáhnout téměř dokonalého soukromí při odhadu průměrných hodnot neznámých parametrů v síti. Tato teoretická práce představuje krok směrem k bezpečnějším kvantovým komunikačním systémům, které chrání citlivé informace před neoprávněným přístupem.
Kvantová bezpečnost z jiného pohledu, ale se stejnými závěry: Podle zprávy National Endowment for Democracy (NED) dosáhla Čína významného pokroku v oblasti kvantových výpočtů a komunikací, což by mohlo ohrozit současné šifrovací standardy a urychlit šíření datově orientovaného dohledu. Tato zpráva varuje, že čínská strategie „sesbírat nyní, dešifrovat později“ a její vedoucí postavení v kvantově zabezpečených komunikačních systémech představují rizika pro kybernetickou bezpečnost, firemní data a demokratické instituce. Analytici doporučují urychlit přechod na kvantově odolnou kryptografii, zvýšit transparentnost v oblasti AI dohledu a zapojit se do mezinárodního nastavování standardů, aby se čelilo autoritářským digitálním normám.
Kvantové technologie
Vědci z Technické univerzity v Darmstadtu vyvinuli novou techniku pro zvýšení přesnosti kvantových senzorů. Kvantové senzory, které využívají vlnovou povahu atomů k měření zrychlení a rotace s vysokou přesností, mohou být ovlivněny nežádoucími odrazy atomů, což zhoršuje kvalitu měření. Tým proto navrhl speciálně navržené světelné pulzy fungující jako rychlostně selektivní atomová zrcadla, která odrážejí pouze požadované atomy a propouštějí ty parazitní. Tímto způsobem se snižuje šum v signálu a zvyšuje se přesnost měření.
České společnosti Amires se daří a startuje nový projekt. Projekt PROMISE (PROtotypes of Magnetic Imaging Systems for Europe) byl zahájen 1. ledna 2025 s cílem vyvinout kvantové zobrazovací senzory na bázi dusíkových vakancí (NV) pro průmyslové aplikace, jako je metrologie polovodičů, materiálové inženýrství a biotechnologie. S celkovým rozpočtem 5,28 milionu eur, z nichž 4,7 milionu eur financuje Evropská unie, projekt plánuje do 31. srpna 2028 dosáhnout předindustriální úrovně technologické připravenosti (TRL7). Konsorcium vedené organizacemi Tecnalia a TNO zahrnuje partnery jako Airbus, Graphenea Semiconductor a INRIM, kteří se zaměří na vývoj širokopásmových magnetometrů s vysokou rychlostí a přesností, bez potřeby vakuových systémů či kryogenního chlazení. Klíčovými inovacemi jsou senzory s jednofotonovými lavinovými diodami (SPAD) od Fondazione Bruno Kessler a diamantové membrány s optimalizovanými NV centry od společnosti Diatope. Projekt si klade za cíl vytvořit kompaktní a nákladově efektivní prototypy s nižší hmotností a spotřebou energie, což by mělo urychlit jejich přijetí na trhu.
Kvantový byznys, investice a politika
Americký senát připravil nový zákon na financování kvantových technologií v hodnotě 2,5 miliardy dolarů pro následujících pět let. Uvidíme, jestli americká vláda bude pokračovat ve škrtech, nebo bude pokračovat ve snahách být světovou jedničkou v kvantu.
- Chcete mít Lupu bez bannerů?
- Chcete dostávat speciální týdenní newsletter o zákulisí českého internetu?
- Chcete mít k dispozici strojové přepisy podcastů?
- Chcete získat slevu 1 000 Kč na jednu z našich konferencí?
Staňte se naším podporovatelem
ČLÁNKY DO MAILU