Americké laboratoře snížily obsah rušivého izotopu v křemíkovém plynu pod miliontinu

Kubit, tedy základní prvek kvantového počítače, má jednu nepříjemnou vlastnost: nesmí ho nic pozorovat. Stačí slabé magnetické pole odněkud z okolí a uložená informace se rozpadne. Když je kubit postavený z jednoho elektronu v křemíku, přichází to nejhorší rušení přímo z křemíku samotného.

Americké ministerstvo energetiky (DOE) oznámilo 16. července 2026, že jeho laboratoře tenhle vnitřní zdroj šumu stlačily pod jednu miliontinu. Silan, plyn, ze kterého se křemíkové vrstvy na čipech nanášejí, obsahuje podle oznámení 99,9999 % křemíku-28 a rušivého křemíku-29 méně než 1 ppm, tedy jednu částici z milionu. U germanu, obdobného plynu pro germanium, klesl obsah germania-73 rovněž pod 1 ppm. Obojí je podle DOE aspoň stokrát méně rušivých izotopů, než má kterýkoli komerčně dostupný materiál na světě.

Proč jeden izotop z dvaceti dělá takovou potíž

Křemík má tři stabilní izotopy. Dva z nich, křemík-28 a křemík-30, mají jádro bez spinu – magneticky jsou mrtvé. Třetí, křemík-29, má jaderný spin ½ a v přírodním křemíku ho je 4,67 %. Každé takové jádro je nepatrný magnet.

Elektron, který kubit nese, se rozprostírá přes velké množství atomů, takže „vidí“ naráz tisíce těch magnetů. Jejich pole se náhodně mění a kubit tím ztrácí fázi – právě tu vlastnost, ve které je uložený výpočet. Odstranění křemíku-29 proto kubit nezlepšuje okrajově; ubírá mu hlavní zdroj rozpadu.

Jak velký rozdíl to dělá, ukázalo měření z roku 2014. Jaderný spin atomu fosforu vsazeného do izotopově čištěného křemíku-28 udržel kvantový stav déle než 30 sekund a ovládat se dal s věrností nad 99,99 %. Šlo tehdy o nejdelší dobu, po jakou se podařilo kvantový stav udržet v jediném kubitu v pevné látce.

Germanium má izotop ještě nepříjemnější

Germanium se v kvantových čipech používá na kubity postavené z děr, tedy z chybějících elektronů. Má pět stabilních izotopů, ale spin má jen jeden – germanium-73, a hned 9/2. V přírodním germaniu ho je asi 7,7 %.

Vrstvy pro takové kubity se dnes obvykle čistí tak, aby germania-73 zůstalo pod desetinou procenta, což je tisíc ppm. Číslo z oznámení DOE je o tři řády nižší – ale platí pro plyn, ze kterého se vrstva teprve naroste, ne pro hotovou vrstvu.

Dva postupy, dvě laboratoře

Na výsledku se podílely dvě národní laboratoře a každá řešila jinou část.

• Oak Ridge National Laboratory oddělila izotopy metodou EMIS (elektromagnetická separace izotopů). Pracuje s plazmatem a umí z jedné dávky zachytit několik izotopů naráz, přičemž vstupní surovinu bere z běžného trhu.
• Pacific Northwest National Laboratory vyřešila chemii. Obohacené sloučeniny – fluorid křemičitý, fluorid germaničitý a oxid germaničitý – převedla na silan a german a pak je dočistila pod 1 ppm. Zároveň provozuje zmodernizovaná automatizovaná zařízení TDIS, která obohacují přímo plyn tepelnou difuzí.

Že to nebyla samozřejmost, přiznává hlavní řešitel z PNNL Mike Powell: „Naše systémy a postupy manipulace jsme navrhli tak, aby izotopová čistota vstupní suroviny vydržela až do konečného silanu a germanu.“ (přeloženo z angličtiny) Jinými slovy: obohatit izotop je jedna práce, nezkazit ho během chemického zpracování druhá.

Silan a german nejsou žádná exotika. Jsou to standardní plyny, ze kterých se v polovodičové výrobě nanášejí velmi tenké vrstvy. Právě proto je čistota plynu praktičtější než čistota nějakého laboratorního vzorku: navazuje na to, co továrny už umí.

Dvacet osm let bez obohacování ve větším měřítku

Oznámení má i druhou vrstvu, která s kvantovými počítači nesouvisí. Spojené státy podle DOE od roku 1998, kdy dosloužily kalutrony z druhé světové války, neměly domácí obohacování stabilních izotopů ve větším měřítku. Kalutrony jsou elektromagnetické separátory, které za války oddělovaly uran a jejichž obsluha na fotografii výše se dodnes připomíná jako „Calutron Girls“.

Christopher Landers, ředitel programu DOE pro výzkum a výrobu izotopů, to komentoval nezvykle nadneseně: „Dnes jsme ten šum utišili. Dosažením izotopových čistot, jaké dosud na Zemi nebyly, předáváme do rukou základ pro nejstabilnější kvantové počítače na světě.“ (přeloženo z angličtiny) Náměstek pro vědu Darío Gil byl střízlivější: podle jeho vyjádření má věc potenciál zvýšit provozuschopnost kvantových počítačů.

Co oznámení netvrdí

Stojí za to oddělit, co je změřeno, od toho, co se z toho zatím jen dá čekat.

Čistota se týká vstupního plynu. Kolik rušivého izotopu skončí v hotové vrstvě na čipu, závisí na tom, jak se vrstva naroste, a to oznámení neřeší. Také neuvádí ani jedno číslo o době koherence kubitů vyrobených z tohoto materiálu – takové měření teprve někdo musí udělat. A jde o technologii a dosaženou čistotu, ne o zboží na skladě: zájemci se mají obracet na Národní centrum pro rozvoj izotopů, tedy ptát se, ne kupovat.

Vedle křemíku-28 zmiňuje DOE ještě germanium-70, germanium-76 a ytterbium-171. Celé úsilí spadá pod loňské prezidentské nařízení, které v USA zaštiťuje program Genesis Mission.

Proč je to důležitější, než to zní

Zprávy o kvantových počítačích obvykle mluví o počtu kubitů. Tenhle případ ukazuje druhou stranu: kubity se nedají „naprogramovat“ tak, aby přestaly zapomínat. Buď jsou v prostředí, které je neruší, nebo je ruší, a jediná cesta vede přes materiál. Šest devítek u křemíku-28 není rekord kvůli rekordu, nýbrž pokus posunout strop, o který se dnešní křemíkové kubity opírají.

Zdroje: oznámení amerického ministerstva energetiky, podrobnosti Národního centra pro rozvoj izotopů a zpráva The Quantum Insider. Fyzikální pozadí: měření doby koherence fosforu v křemíku-28 a práce o dírových kubitech v germaniu.