Souhrn: Výzkumníci z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, Harvardu, Stony Brook University a společnosti Quantinuum poprvé předvedli kompletní univerzální hradlovou sadu založenou na neabélovských anyonech. Experiment na 54qubitovém iontovém procesoru Quantinuum H2 ukazuje, že propletení (braiding) a fúze anyonů mohou v principu provést libovolný kvantový výpočet — a možná bez nákladné destilace magických stavů. Studie byla publikována v časopise Nature 15. července 2026.

Hledání univerzálnosti v kvantovém světě

Kvantový počítač je užitečný jen tehdy, když umí provést libovolný algoritmus se stejnou flexibilitou jako běžný laptop. Dosud však výzkumníci pracující s takzvanými neabélovskými anyony — exotickými kvazičásticemi, které v přírodě jako volné entity neexistují, ale lze je vytvořit v kvantových obvodech — nedokázali na reálném hardwaru ukázat, že jejich přístup je univerzální. Tento rok se to změnilo.

Tým vedený Rubenem Verresenem z University of Chicago PME, Anasuyou Lyons a Chiu Fan Bowen Lo z Harvardu (ve skupině Ashvina Vishwanatha) a Henrikem Dreyerem z Quantinuum publikoval v polovině července 2026 v Nature práci, která představuje první kompletní univerzální hradlovou sadu založenou na neabélovských anyonech. Na 54qubitovém zachyceném iontovém procesoru Quantinuum H2 prokázali, že kombinace dvou technik — braiding (proplétání) a fusion (splývání) — umožňuje sestavit libovolnou kvantovou operaci.

„Demonstrovali jsme tzv. univerzální hradlovou sadu — to znamená, že když uložíte informaci do těchto emergentních verzí kvarků a pohybujete jimi, můžete provést jakýkoliv kvantový výpočet, který byste chtěli," vysvětlil Verresen.

Co jsou neabélovské anyony?

Obyčejné qubity ukládají informaci do binárního stavu — zapnuto, vypnuto nebo nějaká superpozice obou. Neabélovské anyony fungují jinak. Vznikají tehdy, když kvantový obvod propojí mnoho běžných qubitů do jednoho velkého provázaného stavu, který se chová jako zcela nový druh částice s vlastními vnitřními pravidly.

„Představuji si tyto kódy tak, že vytvářejí malé vesmíry — alternativní světy, které ale odrážejí některé vlastnosti toho našeho," popsal Verresen.

Klíčovým rysem neabélovských anyonů je, že jejich vnitřní stav se mění pokaždé, když se dva anyony kolem sebe „proplejou" (obejdou). Na rozdíl od běžných částic záleží na pořadí, ve kterém proplétání provedete — a právě to je význam slova „neabélovský". Protože je jejich stav rozprostřen napříč mnoha provázanými qubity, ne v jednom konkrétním místě, jsou neobvykle dobře chráněny před drobnými poruchami, které znejistí běžné qubity. Navíc může samotné proplétání sloužit jako výpočetní hradlo.

Proč dosud nestačilo samo proplétání

V roce 2024 použil tým včetně Verresena kvantový počítač Quantinuum k vytvoření anyonů založených na symetrické grupě nazvané D4 — což jsou rotace a zrcadlení, která nemění čtverec. Šlo o první demonstraci tohoto typu neabélovského uspořádání na kvantovém hardwaru. Samotné proplétání těchto anyonů ale nepostačovalo ke všem operacím, které počítač potřebuje.

„V té práci jsme nedokázali, že tyto emergentní síly by stačily ke kvantovému počítání," řekl Verresen. „Ten konkrétní vesmír, který jsme vytvořili, nebyl dostatečně silný."

Fúze mění všechno

V nové práci tým přistoupil k jinému typu symetrie — S3, což jsou rotace a zrcadlení rovnostranného trojúhelníku — a vybudoval anyony na 54qubitovém procesoru Quantinuum H2. Na rozdíl od D4 měla struktura S3 správné vlastnosti pro univerzální výpočet, ale pouze za podmínky, že se proplétání (braiding) spojí s dalším nástrojem: fúzí, při níž se dva anyony spojí v jeden a výsledek se přečte jako měření.

Myšlenku navrhl teoreticky už v roce 2003 Carlos Mochon, tehdy student Johna Preskilla na Caltechu. Proměnit tento abstraktní návrh ve funkční protokol pro kvantový hardware však vyžadovalo rozsáhlý teoretický i experimentální vývoj.

Tým použil dvojice těchto anyonů k zakódování tzv. topologických qutritů, které mají tři úrovně kvantové informace ve srovnání se dvěma úrovněmi běžných qubitů. Proplétáním a fuzí těchto qutritů v různých kombinacích výzkumníci demonstrovali tři operace — jedno provazovací hradlo vytvářející provázání a dva odlišné typy měření pomocí fúze — které dohromady mohou v principu dosáhnout libovolné kvantové operace, včetně těch, které samotné proplétání nezvládlo.

Magické stavy bez destilace

Možná nejvýznamnější objev se týká takzvaných „magických stavů". Kvantové počítače se spolehají na chybrovou korekci — rozprostření dat napříč mnoha fyzickými qubity, aby se předešlo chybám. Tyto kódy chybrové korekce ale samy o sobě neposkytují všechny operace nutné pro univerzální kvantové počítání s chráněnými daty. Místo toho inženýři používají speciálně připravené „magické stavy", které se vytvářejí procesem zvaným destilace magických stavů — ten ale spotřebovává obrovské množství qubitů.

Tým ukázal, že neabélovské anyony mohou připravit magický stav přímo, prostřednictvím topologických operací, čímž se drahá destilace obejde. „Neabélovské kódy jsou temným koněm v závodě na kvantovou chybrovou korekci," řekl Henrik Dreyer z Quantinuum. „V této práci ukazujeme první univerzální hradlovou sadu v neabélovském kódu, což dokazuje, že odolné výpočty mohou v principu probíhat bez nutnosti uchylovat se k destilaci nebo kultivaci magických stavů, jež jsou nejdražšími operacemi ve standardních kódech kvantové chybrové korekce."

Proof of principle — co dál?

Je důležité zdůraznit, že současná práce je proof of principle. Výzkumníci neprovedli aktivní chybrovou korekci — zatím testovali jednotlivé stavební bloky výpočtu a ověřili, že vytvořený magický stav odpovídá teoretickým předpovědím.

„Zatím jsme ignorovali otázku chybrové korekce. Je to spíše důkaz konceptu," přiznal Verresen. Propojení tohoto přístupu s aktivní chybrovou korekcí je přirozeným dalším krokem — a mohlo by z neabélovských anyonů učinit praktický základ pro velká, spolehlivá kvantová počítače. Verresen již spolupracuje s dalšími výzkumníky na vývoji nových způsobů stabilizace neabélovských kvantových pamětí.

Proč je to důležité

Neabélovské anyony představují třetí velkou cestu k fault-tolerantnímu kvantovému počítání — vedle povrchových kódů (surface codes), na nichž pracují Google, IBM či Quantinuum v dalších projektech, a topologických qubitů založených na Majoranových částicích, které zkouší komercializovat Microsoft. Každá z těchto cest má své výhody a úskalí:

  • Povrchové kódy jsou technologicky vyspělé, ale vyžadují obrovské množství fyzických qubitů (tisíce až miliony) pro jeden logický qubit a nákladnou destilaci magických stavů.
  • Majoranovy topologické qubity (Microsoft) slibují ochranu už na hardwarové úrovni, ale jejich existence a kontrolovatelnost zůstávají experimentálně sporné.
  • Neabélovské anyony nabízejí střední cestu: používají běžné qubity (např. ionty), ale organizují je do stavů, které se chovají jako exotické kvazičástice. Pokud se podaří zkombinovat je s chybrovou korekcí, mohly by výrazně snížit počet qubitů potřebných pro užitečné výpočty.

Širší kontext

Quantinuum, která poskytla svůj H2 procesor pro tento experiment, je jednou z předních firem v oblasti zachycených iontů. Společnost nedávno ohlásila plány na IPO na Nasdaqu s odhadovanou valuací 17 miliard dolarů a pokračuje v rozšiřování své kvantové platformy. Její H2 procesor se 56 qubity (v tomto experimentu použito 54) patří k nejpokročilejším iontovým systémům na světě.

Spolupráce mezi University of Chicago, Harvardem a Quantinuum ukazuje na rostoucí trend v kvantovém výzkumu: propojování špičkových univerzit s průmyslovými partnery, kteří mají přístup k nejlepšímu hardwaru. V Chicagu se navíc buduje jedno z nejvýznamnějších center kvantového výzkumu na světě — Chicago Quantum Institute — a tento výsledek jej dále posiluje.

Závěr

Práce publikovaná v Nature představuje významný milník: poprvé bylo prokázáno, že neabélovské anyony mohou na reálném kvantovém hardwaru poskytnout univerzální hradlovou sadu. Cesta k praktickým kvantovým počítačům založeným na tomto principu je ještě dlouhá — zejména protože dosud nebyla demonstrována aktivní chybrová korekce v tomto režimu. Pokud se ale další výzkum ukáže úspěšným, mohly by neabélovské anyony přinést revoluci v tom, jak navrhujeme spolehlivá kvantová počítače — s menším počtem qubitů a bez nejdražších operací, které současné systémy zatěžují.

Zdroje:

  • Lo, C. F. B., Lyons, A. et al. Universal Gates from Braiding and Fusing Anyons on Quantum Hardware. Nature, 15. července 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10709-y
  • University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering
  • Quantinuum