Zdroje: ETH Zürich News, Science: 10.1126/science.aef4139, The Quantum Insider, Quantum Computing Report, Phys.org

ETH Zürich rozechvěla kvantový čip: Mechanická paměť odděluje výpočet od uložení dat a vrací do hry princip CPU–RAM

Když Yiwen Chu popisuje svůj nový kvantový čip, sahá po přirovnání, kterému rozumí každý hudebník: „Počítač pracuje téměř jako kytara." Struny kytary produkují různé tóny podle toho, jak kmitají — a právě na tomto principu stojí kvantová pracovní paměť, kterou její tým z katedry fyziky ETH Zürich (D-PHYS) představil v časopise Science dne 9. července 2026.

Článek s názvem „Mechanical resonator–based quantum computing" (DOI 10.1126/science.aef4139, Science sv. 392, s. 972) přináší koncept, který se vrací ke kořenům klasického výpočetního návrhu — důslednému oddělení procesoru od paměti. Zatímco většina dnešních supravodivých kvantových systémů (včetně Willow od Googlu či Heronu od IBM) míchá výpočetní a paměťové funkce do jednoho qubitového registru, skupina Hybrid Quantum Systems navrhuje čip, kde jeden supravodivý qubit funguje jako CPU a okolní mechanické rezonátory slouží jako RAM.

Čip velký jako nehet, ale s dělbou práce

Samotný prototyp je fyzicky miniaturní: měří přibližně 7,5 × 2,5 × 1 mm — tedy zhruba jako malý nehet. Na takto kompaktní ploše se ale odehrává zásadní architektonická změna. Místo tradičních elektromagnetických mikrovlnných rezonančních dutin, které dnes slouží jako „qubitové paměti", se informace ukládá do mikroskopických mechanických struktur, které po excitaci vibrují na frekvencích daleko za hranicí lidského sluchu.

Proč zrovna mechanika? Vlnová délka akustických vibrací je při stejné frekvenci několikanásobně kratší než vlnová délka elektromagnetických vln. Mechanické rezonátory jsou proto výrazně kompaktnější než ekvivalentní RF dutiny — na stejné ploše čipu se jich vejde podstatně více. Zároveň akustické kmity vykazují delší koherenční dobu, protože mechanické tlumení je v těchto strukturách pomalejší než energetické ztráty v mikrovlnných rezonátorech.

V praxi to znamená, že qubit může během výpočtu „odložit" stav do vibrujícího rezonátoru, věnovat se jiným operacím a později jej opět přečíst — podobně, jako procesor v klasickém notebooku odkládá mezivýsledky do operační paměti.

Jak to funguje uvnitř

Každý mechanický rezonátor podporuje několik diskrétních vibračních modů — stejně jako struna kytary může znít v základním tónu i ve vyšších harmonických. Každý mód slouží jako samostatný paměťový registr a v něm se uchovává kvantový stav (superpozice, fáze, případně zapletení s dalšími registry).

Qubit v roli procesoru čte konkrétní vibrační stav z akustické paměti, modifikuje jeho fázi nebo amplitudu podle požadavků algoritmu a zapisuje upravený stav zpět do rezonátoru — to vše bez kolapsu kvantové koherence. Koherentní smyčka „čti-modifikuj-zapiš" je přitom dostatečně rychlá, aby zvládla typické doby výpočtu.

Důkaz principu: QFT i hledání periody

Aby tým dokázal, že se nejedná o pouhou laboratorní kuriozitu, podrobil architekturu dvěma zkouškám, které tvoří páteř většiny kvantových algoritmů:

  • Quantum Fourier Transform (QFT) — stavební k Shorovu algoritmu a celé rodině fázových odhadů.
  • Period-finding algoritmus — jádro Shorova faktorizačního protokolu i kvantových simulací.

Obě operace vyžadují, aby řídicí jednotka koherentně propojila mnoho paměťových registrů najednou, v nichž jsou uloženy provázané stavy. Úspěšná implementace na čipu dlouhém 7,5 mm ukazuje, že akustická paměť zvládne libovolné kvantové algoritmy, nejen úzce specializované benchmarky.

Proč na tom záleží pro celé odvětví

Každá platforma supravodivých qubitů — ať už jde o IBM Heron r2 s 156 qubity, Google Willow se 105 qubity nebo Quantinuum H2 — dnes naráží na stejný fyzikální problém: paměťové dutiny zabírají na čipu příliš místa. Když chceme škálovat na stovky tisíc fyzických qubitů nezbytných pro fault-tolerant quantum computing (FTQC), klasický přístup „každý qubit má svou vlastní RF dutinu" jednoduše přestává fyzicky stačit.

Mechanické rezonátory otevírají cestu ke dvěma řádově hustšímu uložení kvantové informace na stejné ploše. Architektura CPU–RAM navíc odpovídá tomu, jak se kdysi navrhovaly klasické procesory: řídicí logika zůstává malá a rychlá, paměť se škáluje nezávisle. To je rozdíl oproti dnešním kvantovým čipům, kde se všechno odehrává na jedné ploše a kde zvětšení registru zvyšuje riziko crosstalku i ztrát koherence.

Co bude dál

Skupina Yiwen Chu sama zdůrazňuje, že jde o proof of principle: čip je funkční, ale pro cestu k větším systémům bude třeba vyřešit dva klíčové problémy — mechanickou vazbu mezi supravodivým qubitem a rezonátorem (výrobní tolerance, frekvenční sladění) a rozšíření na multi-qubitové procesory, kde bude třeba koherentně spínat desítky či stovky paměťových registrů najednou.

Kontext: fononová kvantová informatika má své kořeny

Nápad využít ke kvantovým výpočtům fonony — kvantované kmity mřížky — není nový. Již v roce 2010 publikovala skupina Andrew Clelanda z Chicagské univerzity v časopise Nature první demonstraci jednofononového stavu uloženého v mechanickém rezonátoru. Od té doby se komunita postupně učila spojovat piezoelektrické rezonátory se supravodivými qubity přes tzv. piezoelektrickou vazbu (stressem generované napětí mění kapacitu a tedy frekvenci qubitu).

Chuina skupina na tyto základy navazuje v něčem zásadním: dosavadní práce typicky ukládaly do rezonátoru jediný fonon a komunikace s ním byla pomalá. ETH prototyp posouvá koncept k praktickému pracovnímu režimu, kde rezonátor pojme stovky fononových modů najednou a kde algoritmus (QFT, period-finding) s nimi manipuluje v reálném čase bez kolapsu koherence.

Srovnání s dnešními architekturami

Pro úplnost se vyplatí zasadit ETH přístup do kontextu posledních měsíců:

  • IBM Heron r2 (156 qubitů) stále spoléhá na elektromagnetické paměťové dutiny a bojuje s tím, jak čip dále škálovat. V červnu IBM zveřejnila cestu k fault-tolerantnímu stroji do roku 2029.
  • Google Willow (105 qubitů) prokázal v roce 2024 běh pod prahovou hodnotou pro povrchový kód, ale i zde je fyzická paměť integrovaná v rejstříku qubitů a každý další fyzický qubit ubírá místo sousedům.
  • QuEra (neutrální atomy, 256+ qubitů) využívá zcela jinou platformu bez kryogenních rezonátorů, ale trpí omezeními v koherenční době a rychlosti bran.
  • ETH mechanická paměť se nesnaží konkurovat těmto platformám v počtu qubitů, ale nabízí paměťovou vrstvu, kterou si ostatní dosud nemohou dovolit.

Pokud se osvědčí, mohla by se mechanická paměť stát plug-in architekturou: libovolný supravodivý čip by si mohl na okraj přidat blok mechanických rezonátorů a získat tak „RAM" bez toho, aby musel předělat celý layout.

Dlouhodobý význam ale přesahuje ETH: pokud se architektura osvědčí, může se stát třetím pilířem vedle supravodivých qubitů a RF dutin — vedle již existujících přístupů, jako jsou fotonické procesory (Xanadu, PsiQuantum), uvězněné ionty (IonQ, Quantinuum) nebo neutrální atomy (QuEra, Atom Computing). Pro evropský kvantový ekosystém, kde se na špičkové úrovni pohybují i pražské týmy a brněnský CEOL, jde o důkaz, že špičkový hardware se nerodí jen v zámoří. A konkrétně pro ETH je to největší publikace ve Science z D-PHYS za posledních pět let.

Publikováno 12. července 2026 na quantum-computing.cz.