Křemík jako svatý grál kvantových počítačů

Kvantové počítače dnes staví na nejrůznějších fyzikálních platformách — supravodivé obvody (IBM, Google), zachycené ionty (IonQ, Quantinuum), neutrální atomy (Atom Computing, QuEra). Každá z nich má své výhody, ale žádná neumí využít to, co lidská civilizace zvládla jako nikdy jindy: masovou polovodičovou výrobu.

Právě to se snaží změnit tým z Shenzhen International Quantum Academy v Číně. Ve studii publikované 23. března 2026 v prestižním časopise Nature Nanotechnology předvedli křemíkový kvantový procesor schopný provést univerzální sadu logických kvantových operací — včetně detekce chyb. Pro kvantovou komunitu jde o milník, který posouvá křemíkovou platformu od laboratorních experimentů k reálným kandidátům na škálovatelné kvantové počítače.

Pět atomů fosforu jako kvantový procesor

Srdcem zařízení je cluster pěti jaderných spinů atomů fosforu zabudovaných do krystalické mřížky křemíku obohaceného izotopem Si-28. Tento izotopově čistý křemík je klíčový — zbavuje se jaderných spinů přírodního křemíku, které by jinak narušovaly křehké kvantové stavy.

Jednotlivé atomy fosforu byly umístěny do mřížky pomocí skenovací tunelové mikroskopie (STM) lithografie — techniky, která umožňuje pozicovat jednotlivé atomy s téměř atomovou přesností. Každý atom fosforu nese jaderný spin fungující jako qubit, zatímco sdílený elektron zajišťuje interakce mezi nimi. Řízení qubitů probíhá pomocí technik jaderné magnetické rezonance (NMR) a elektronové spinové rezonance (ESR).

Kód [[4, 2, 2]] — čtyři qubity, dvě logické

Klíčovým výsledkem práce je implementace tzv. [[4, 2, 2]] kódu. Čtyři fyzické qubity kódují dva logické qubity, přičemž pátý qubit slouží jako pomocný. Toto kódování umožňuje detekovat určité typy chyb během výpočtu — konkrétně bit-flip a phase-flip chyby — aniž by se narušila samotná kvantová informace.

V rámci tohoto schématu tým demonstroval:

  • Přípravu logických stavů s věrností přesahující 95 % po následném zpracování
  • Jednoqubitová logická hradla (rotace na Blochově sféře)
  • Dvouqubitové logické hradlo CNOT (controlled-NOT)
  • T-hradlo — tzv. ne-Cliffordovská operace, nezbytná pro univerzalitu

Právě T-hradlo je to, co dělá sadu hrdel „univerzální". Bez něj by kvantový počítač dokázal simulovat pouze omezenou třídu výpočtů. Tým implementoval T-hradlo pomocí techniky „gate-by-measurement" — měření pomocného qubitu spustí požadovanou operaci, místo aby byla aplikována přímo. Některé tzv. magické stavy (magic states) dosáhly věrnosti nad prahem potřebným pro destilaci — proces, který v budoucích větších systémech umožní zlepšovat jejich kvalitu.

Simulace molekuly vody — důkaz konceptu

Aby prokázali, že systém funguje i v praktickém nasazení, vědci spustili variational quantum eigensolver (VQE) — hybridní kvantově-klasický algoritmus široce používaný v kvantové chemii. Úkolem bylo odhadnout energii základního stavu molekuly vody optimalizací úhlu mezi atomy vodíku.

Výsledek? Průměrná odchylka pouhých 22,7 milihartree od teoretických výpočtů. Aplikace technik zmírnění chyb — jako parity-check a symetrické omezující podmínky — přesnost ještě zlepšila.

Jde o zjednodušený model molekuly, ale démonstruje zásadní věc: logické qubity fungují v reálných kvantových algoritmech, nejen jako izolované demonstrace hradel.

Proč je křemík tak důležitý

Křemíková platforma nabízí dvě klíčové výhody oproti ostatním kvantovým technologiím:

  1. Dlouhé koherence časy — Jaderné spiny v křemíku si uchovávají kvantovou informaci výrazně déle než například supravodivé qubity. Křemík „nevídá, neslyší" — je extrémně tichý prostředí pro kvantové stavy.

  2. Kompatibilita s polovodičovou výrobou — Světová polovodičová infrastruktura představuje desítky let zkušeností a stovky miliard investic. Křemíkový kvantový čip by teoreticky mohl být vyráběn ve stejných továrnách jako klasické procesory, což radikálně snižuje bariéry pro masovou produkci.

Dosavadní pokroky v korekci chyb a logických operacích se týkaly především supravodivých systémů (Google Willow, IBM). To, že se stejné principy podařilo realizovat na křemíku, výrazně rozšiřuje portfolio možných cest ke škálovatelným kvantovým počítačům.

Omezení a další kroky

Přestože jde o významný průlom, autoři studie transparentně identifikují několik limitací:

  • Logické qubity vykazují kratší koherenční časy než jednotlivé fyzické qubity — komplexnost provázaných stavů přináší nové výzvy.
  • Cross-talk — operace na jednom qubitu nechtěně ovlivňují sousední — zůstává významným zdrojem chyb.
  • Použitý [[4, 2, 2]] kód detekuje chyby, ale nedokáže je všechny opravovat. Plně odolný proti chybám (fault-tolerant) systém to ještě není.
  • Detekce chyb probíhá po výpočtu (post-processing), nikoli v reálném čase během výpočtu.

Další kroky zahrnují zlepšení přesnosti umístění atomů, redukci cross-talku a integraci větších polí qubitů na jednom čipu. Dlouhodobý cíl je jasný: postavit systémy schopné provádět složité výpočty při zachování kontroly chyb — a to na platformě, kterou umíme průmyslově vyrábět.

Perspektiva: Křemík jako alternativní cesta

Zatímco pozornost médií se soustředí na souboj gigantů jako IBM, Google a Microsoft, tichá revoluce probíhá na křemíkových čipech v čínském Šen-čenu. Pokud se křemíková platforma prokáže jako škálovatelná, mohla by kvantové počítače dostat z laboratoří do továren — a nakonec i do běžných datacenter.

Tato studie ukazuje, že základní stavební kameny pro fault-tolerant kvantové počítání jsou na křemíku reálné. Cesta k praktickým kvantovým počítačům možná nevede přes jeden „vítězný" hardware, ale přes ekosystém různých platforem, z nichž každá přispěje svým dílem.

Zdroje: Nature Nanotechnology, The Quantum Insider, Interesting Engineering, Quantum Computing Report