HKU vyvinul “mozkomírní” čip: Neuromorfní hardware funguje při 10 milikelvinech a odemyká cestu k škálovatelným kvantovým počítačům

Kvantové počítače jsou mimořádně citlivé stroje. Jejich qubity vyžadují teploty blízké absolutní nule, složité řídicí elektroniky a tisíce kabelů, které vedou od pokojových řadičů až do srdce kryogenního systému. Právě tento “wiring bottleneck” — přehrada drátů mezi klasickou elektronikou a kvantovým procesorem — je jedním z největších překážek na cestě k škálování kvantových počítačů na stovky tisíc qubitů.

Výzkumný tým z Hong Kong University (HKU) pod vedením profesora Yuhao Zhanga právě publikoval v prestižním časopisu Nature Communications práci, která tento problém řeší zcela novým přístupem. Vytvořili neuromorfní hardware z komerčního silikon karbidu (SiC), který dokáže napodobit chování biologických neuronů při teplotách až 10 milikelvin — tedy v podstatě uvnitř kvantového chladicího systému.

Co je neuromorfní čip a proč na tom záleží

Neuromorfní elektronika je inspirována způsobem, jakým funguje lidský mozek. Místo tradičních logických hradel, která zpracovávají data ve velkých blocích, neuromorfní obvody používají umělé neurony a synapse, které komunikují pomocí krátkých elektrických impulsů — tzv. “spiking”. Tento přístup je tisíckrát energeticky úspornější než konvenční výpočty, což je při teplotách blízkých absolutní nule naprosto kritické.

Důvod je prostý: každý mikrowatt tepla generovaný řídící elektronikou uvnitř kryostatu ohrožuje stabilitu qubitů. Současné křemíkové řadiče proto musí být umístěny mimo kryostát, což vytváří onen zmíněný wiring bottleneck — tisíce koaxiálních kabelů, které vedou od externí elektroniky dovnitř, každý přenáší teplo a omezuje škálovatelnost.

Přelom: Silikon karbid na milihelvinech

Tým HKU objevil, že standardní průmyslové SiC MOSFETy (tranzistory ze silikon karbidu, dnes běžně používané v elektromobilech a energetických sítích) vykazují při teplotách pod 2 K fascinující jev zvaný negativní diferenciální odpor (NDR). Konkrétně jde o mechanismus “S-shaped” NDR, který je poháněn elektron-donorovou impaktní ionizací (EDII) — jevem, který je vrozený v atomární struktuře materiálu.

To znamená, že jediný tranzistor dokáže napodobit “spiking” chování biologického neuronu, a to bez potřeby složitých obvodů. A protože je tento jev materiálově podmíněný, je výjimečně stabilní a reprodukovatelný napříč výrobními šaržemi.

Profesor Zhang to popsal takto: “Naše práce představuje hardwarovou platformu, kterou lze integrovat přímo vedle kvantových procesorů. Využitím jedinečných nosných dynamik v silikon karbidu můžeme vytvořit obvody, které jsou tisíckrát energeticky úspornější než konvenční elektronika, což výrazně snižuje tepelnou zátěž kryogenních systémů.”

Proč zrovna silikon karbid

Silikon karbid (SiC) není žádný laboratorní exot. Je to průmyslový standard — používá se v elektromobilech od Tesla přes BYD až po Porsche, v solárních invertorech a energetických sítích po celém světě. Výrobní kapacity pro 300mm wafer už existují.

To je klíčový rozdíl oproti mnoha kvantovým technologiím, které vyžadují speciální materiály a unikátní výrobní procesy. Jak poznamenal doktorand Xin Yang: “Protože SiC se už celosvětově používá v elektromobilech a energetických sítích, můžeme využít existující průmyslové foundries k výrobě těchto kryogenních čipů na 300mm waferch.”

To znamená, že přechod z laboratoře do produkce může být řádově rychlejší než u technologií vyžadujících nové výrobní linky.

Co to znamená pro kvantové výpočty

Integrace neuromorfní elektroniky přímo do kryostatu s sebou přináší několik zásadních výhod:

1. Zrušení wiring bottlenecku. Místo tisíců kabelů vedoucích od externích řadičů mohou být řídicí obvody umístěny přímo vedle qubitů. Lokální zpracování dat snižuje potřebu dlouhých komunikací.

2. Energetická efektivita. Neuromorfní “spiking” zpracování je tisíckrát úspornější než tradiční digitální logika. Méně tepla = stabilnější qubity = delší koherence = složitější výpočty.

3. Kvantová korekce chyb v reálném čase. Jedna z největších výzev kvantových výpočtů je rychlost korekce chyb — systém musí detekovat a opravit chybu dříve, než qubit ztratí koherenci. Lokální neuromorfní zpracování umožňuje ultrarychlé zpětnovazební smyčky přímo v kryostatu.

4. Kaskádování a škálovatelnost. Studie prokazuje, že tyto umělé neurony mohou být “kaskádovány” do větších sítí, což otevírá cestu ke komplexnímu lokálnímu zpracování dat při milihelvinových teplotách.

Hluboký vesmír jako bonus

Aplikace této technologie nekončí u kvantových počítačů. Tyto odolné obvody jsou ideální pro hlubokovýzkumné mise, kde elektronika musí přežít extrémní chlad měsíčního povrchu (kolem 40 K v noci) nebo vnějších oblastí sluneční soustavy. Tradiční elektronika při těchto teplotách selhává; SiC neuromorfní obvody naopak thrive.

Evropská vesmírná agentura (ESA) i NASA v posledních letech intenzivně zkoumají kryogenní elektroniku pro mise na Měsíc, Mars a za nimi. Schopnost mít energeticky úsporné, odolné řídící systémy, které fungují v extrémním chladu bez ohřívačů, by mohla dramaticky snížit hmotnost a spotřebu vesmírných sond.

Kontext: Kde se HKU čip řadí mezi ostatní přístupy

HKU neuromorfní čip není jediný pokus o řešení wiring bottlenecku. IBM, Google i Intel vyvíjejí kryogenní CMOS řadiče (na bázi tradičního křemíku), ale ty se potýkají s vysokou spotřebou a tepelnou zátěží. Přístup založený na NDR v SiC je radikálně odlišný — místo miniaturizace tradičních obvodů využívá fundamentálně odlišný výpočetní paradigma.

Zajímavé je také načasování: kvantový průmysl v červnu 2026 zažívá nebývalou dynamiku. Quantinuum právě debutovalo na Nasdaqu s 17,6 miliardovou valuací, Alice & Bob představila Helium systém s cat-qubity, Microsoft pokračuje s Majorana 2. Řešení řídicí elektroniky — tedy “nezábavné” infrastruktury bez které ale žádný kvantový počítač nefunguje — je přesně to, co průmysl potřebuje k přechodu z laboratoří do produkce.

Co dál

Publikace v Nature Communications je silný signál o kvalitě výzkumu, ale cesta od laboratorního demonstrátoru k produkčnímu čipu je dlouhá. Klíčové otázky pro budoucnost:

• Integrace s reálnými kvantovými procesory — zatím byla prokázána funkčnost samotného neuromorfního obvodu, nikoliv ještě integrace s qubity
• Výrobní tolerance — i když SiC je průmyslový standard, specifické požadavky na NDR chování mohou vyžadovat úpravy výrobního procesu
• Programovatelnost — pro praktické nasazení budou potřeba nástroje pro programování neuromorfních sítí analogické k současným kvantovým SDK

Přesto je to krok správným směrem. Kvantové počítače budou škálovatelné pouze tehdy, když se vyřeší celý stack — od qubitů přes korekci chyb až po řídicí elektroniku. A právě v této třetí, často přehlížené vrstvě, přináší tým HKU přelomový příspěvek.

Zdroj: Nature Communications — “Cryogenic neuromorphic circuits using gate-controlled negative differential resistance in silicon carbide” (doi.org/10.1038/s41467-026-70963-6)