První úplná sada kvantových hradel vznikla splétáním a měřením anyonů
Tým z Chicagské univerzity, Harvardu, Stony Brook University a firmy Quantinuum ukázal na iontovém procesoru H2 první úplnou sadu kvantových hradel postavenou na neabelovských anyonech. Práce vyšla 15. července v Nature a naznačuje cestu, jak se vyhnout nejdražší části dnešní korekce chyb.
Kvantové počítače řeší roky tentýž problém: qubity se pletou. Chyby se dnes opravují tak, že se jeden užitečný qubit rozprostře do stovek fyzických, a i po tom všem zbude jedna operace, která spolyká většinu stroje. Skupina fyziků z Chicagské univerzity, Harvardu, Stony Brook University a britsko-americké firmy Quantinuum teď ukázala, že úplnou sadu kvantových hradel jde postavit i jinak: pohybováním exotických kvazičástic kolem sebe. Výsledek vyšel 15. července v časopise Nature.
Částice, které si pamatují, kudy jste je vedli
Anyony nejsou částice v tom smyslu, v jakém je částicí elektron. Jsou to takzvané kvazičástice, tedy chování, které se objeví v soustavě mnoha částic a tváří se jako samostatný objekt. Vznikají jen v soustavách omezených na dva rozměry a mají vlastnost, kterou běžné částice nemají: záleží u nich na tom, v jakém pořadí je vyměníte.
Když prohodíte dva elektrony, na výsledném stavu se nic měřitelného nezmění. Když kolem sebe obtočíte dva neabelovské anyony, stav soustavy se změní, a to jinak podle toho, kterým směrem a v jakém pořadí jste je vedli. Soustava si tedy pamatuje historii pohybu. Přesně to je lákavé pro počítání: dráhu je možné číst jako výpočetní krok a informace není uložená v jednom křehkém qubitu, ale v tom, jak jsou anyony vzájemně propletené.
Myšlenka je stará. Že by se z takového splétání dala poskládat kompletní výpočetní sada, navrhl teoreticky Carlos Mochon už v roce 2003. Chybělo železo, na kterém by to šlo předvést.
Co se odehrálo na procesoru H2
Tým použil procesor Quantinuum H2, který pracuje se zachycenými ionty. Na 54 fyzických qubitech vytvořil takzvaně topologicky uspořádaný stav odpovídající neabelovské grupě S3. V něm pak zakódoval logickou informaci do anyonů – konkrétně do topologických qutritů, tedy jednotek, které nemají dvě hodnoty jako qubit, ale tři.
Nad tímto stavem předvedl tři základní operace: jedno provazovací hradlo, které qutrity propojí, a dvě měření založená na splynutí anyonů. Tahle trojice stačí. Podle autorů z ní jde poskládat libovolný kvantový výpočet.
Ukázali jsme univerzální sadu hradel. Když uložíte informaci do těchto vynořených obdob kvarků a pak s nimi pohybujete, dokážete provést jakýkoli kvantový výpočet, který si přejete.
Tak výsledek popsal Ruben Verresen z Chicagské univerzity, jeden z vedoucích autorů. Na práci se dále podíleli Anasuya Lyons a Chiu Fan Bowen Lo z Harvardu a Henrik Dreyer z mnichovské pobočky Quantinuumu.
Kde se má ušetřit
Hlavní příslib se netýká rychlosti, ale spotřeby. Dnešní návrhy odolných kvantových počítačů se neobejdou bez postupu, kterému se říká destilace magických stavů. Je to způsob, jak si vyrobit speciální vstupní stav potřebný pro hradla, která běžná korekce chyb sama o sobě neumí. Je ale nesmírně drahý: podle přehledu Quantum Computing Report na něj v obvyklých architekturách padne až 90 procent fyzických qubitů a řídicí kapacity stroje.
Přístup postavený na grupě S3 tenhle poplatek podle autorů obchází, protože informaci ukládá přímo do prostoru vznikajícího splýváním anyonů. Tým v experimentu připravil magický stav rovnou, bez jediného destilačního cyklu, a naměřená kvalita odpovídala teoretické předpovědi.
Neabelovské kódy jsou v závodě o korekci kvantových chyb černým koněm.
To je hodnocení Henrika Dreyera z Quantinuumu. Slovo závod je namístě: konkurenční směr, tedy povrchové kódy, má dnes výrazný náskok v počtu odpracovaných experimentů.
Čím výsledek zatím není
Stojí za to číst i to, co autoři sami přiznávají. Aktivní korekci chyb v této práci nezapnuli. Otestovali jednotlivé stavební kameny a ověřili přípravu magického stavu, tedy důkaz principu, nikoli běžící odolný počítač. Padesát čtyři fyzických qubitů je také řádově daleko od velikosti, na které by kvantový stroj počítal něco užitečného.
Platí i to, že jde o jednu platformu. Zachycené ionty umožňují přeskupovat qubity způsobem, který u pevných supravodivých čipů tak snadný není, a právě tahle volnost byla pro splétání anyonů zásadní. Jestli se stejný trik podaří zopakovat jinde, zatím nikdo neví.
Přesto je to poprvé, kdy někdo ukázal celou výpočetní sadu postavenou na neabelovském splétání na skutečném hardwaru, ne na papíře. Za dvacet tři let od Mochonova návrhu je to slušný posun.
Zdroje: Nature, DOI 10.1038/s41586-026-10709-y, Quantum Computing Report a The Quantum Insider. Citace obou vědců jsou přeloženy z angličtiny.
