Qubit jezdí po křemíkovém čipu za čtyřmi sousedy. Na korekci chyb to zatím nestačí

Spinové qubity v křemíku mají jednu vlastnost, která je zároveň jejich výhodou i potíží: jsou hodně malé. Vejde se jich na čip mnoho, ale ke každému je potřeba přivést řídicí vodiče a někde poblíž mít i obvod, který ho přečte. V hustě obsazeném poli kvantových teček se to začne prát o místo. Tým z ústavu QuTech na Delftské technické univerzitě zkusil opačný postup: pole nechal řídké a jeden z qubitů poslal jezdit. Výsledky vyšly 29. července v článku v časopise Nature v otevřeném přístupu.

Sběrnice a čtyři zastávky

Čip je z izotopicky čištěného křemíku ve struktuře 28Si/SiGe a dělí se na tři části. Vlevo je čtecí zóna. Napříč čipem vede řada překrývajících se hradel C0 až C14, které autoři nazývají přepravní sběrnicí. Pod ní leží čtyři samostatné kvantové tečky, pro které si vypůjčili slovo zastávky. V každé zastávce sedí jeden datový qubit, celkem tedy čtyři. Pátý qubit, pomocný, se po sběrnici pohybuje.

Pohyb obstarává čtyřfázový postupný potenciál, tedy napětí na hradlech, které se mění tak, že elektron se svým spinem plyne s vlnou. Rychlost je 1,8 metru za sekundu a okružní dráha měří 1,2 mikrometru. Magnetické pole, bez kterého by qubity nešlo rozlišit, dodává kobaltový mikromagnet přímo na čipu: jednou se zmagnetoval v poli o velikosti 1 tesla a od té doby je vnější magnet vypnutý. Celé to běží v ředicím kryostatu, jehož směšovací komora se drží na 200 milikelvinech.

Zajímavější než samotná jízda je to, že většina čipu je mimo dosah snímače náboje. Ten je jen jeden a sedí na kraji, ve čtecí zóně. Qubity ve vzdálených zastávkách tedy nikdo přímo nevidí. Autoři je proto ladí tak, že k nim pošlou pohyblivý qubit a měří, jak se jeho spin cestou chová. V tiskové zprávě to popisují jako průzkum temné jeskyně bez baterky, kde spiny slouží jako brýle pro noční vidění (přeloženo).

K čemu je kontrola parity

Kvantový počítač si nemůže qubity prohlédnout, protože měřením by informaci v nich zničil. Chyby proto hledá oklikou: pomocný qubit postupně zaklepe na několik datových qubitů, posbírá od nich jediný souhrnný údaj, jestli je jejich sestava sudá, nebo lichá, a nechá se změřit sám. Tomu se říká kontrola parity a je to základní stavební kámen kódů opravujících chyby. Povrchový kód, zavedený návrh, potřebuje kontroly parity nad čtyřmi datovými qubity naráz.

Právě to je v hustém poli teček obtížné: jeden pomocný qubit musí sousedit se čtyřmi datovými a ještě mít vedle sebe čtecí obvod. Delftské zařízení to řeší tím, že pomocný qubit za datovými přijede. Sestava čtyř zastávek a jednoho cestujícího odpovídá jedné dlaždici povrchového kódu.

Co se naměřilo

Samotná jízda je spolehlivá. Přeprava po celé okružní dráze má věrnost 97,7 procenta vůči nicnedělání, tedy vůči stavu, kdy by qubit zůstal na místě. Věrnost je tady míra shody skutečného výsledku s tím, jaký měl vyjít; sto procent znamená bezchybnou operaci. Největší jednotlivá chyba vzniká hned na začátku, při přechodu elektronu z poslední tečky čtecí zóny na první hradlo sběrnice.

Kontrola parity čtyř qubitů vyšla na 72,2 procenta pro typ Z a na 67,0 procenta pro typ X. Rozdíl mezi oběma typy je v tom, v jaké bázi se qubity připraví. Z odhadu, který si autoři udělali z dílčích věrností, čekali 70,5 a 70,0 procenta, takže měření zhruba sedí. Asi dvě procenta nesouladu jdou na vrub chybám při přípravě datových qubitů.

Kontroly parity tým použil i k tomu, aby qubity provázal. Čtyřqubitové stavy typu GHZ, tedy provázané stavy pojmenované po trojici Greenberger, Horne a Zeilinger, vyšly nejlépe na 76,6 procenta. Logický stav kódu se značkou ⟦4,1,2⟧ se podařilo připravit s věrností 62,9 procenta. Pětiqubitové provázání je prokazatelné, ale těsně: naměřená hodnota je 53 procent, přičemž hranice, nad kterou už jde o skutečné provázání všech pěti, leží na 50 procentech. Autoři k tomu dodávají, že sběr všech projekcí trval dvě hodiny a přístroj se za tu dobu rozladí; s častějším dolaďováním by podle nich šlo přes 60 procent.

Kde to drhne

Většina chyb nepochází z jízdy, ale z okamžiku, kdy se dva qubity potkají. Dvouqubitové operace tady stojí na výměnné interakci a tu rozhazuje nekoherentní šum. Rozfázování během přepravy a čekání dělá zhruba čtvrtinu celkové chyby, zbytek jde za dvouqubitovými hradly. Pro srovnání: v jednodušších zařízeních se dvěma qubity se dvouqubitová hradla dostala výrazně přes 99 procent.

Přímočaře to říká recenzní spis, který Nature u tohoto článku zveřejnil celý. Jeden ze tří recenzentů psal, že podle něj není hlavním přínosem práce kontrola parity z titulku, ale nová architektura zařízení, a pokračoval: „věrnosti hradel nejsou vysoké a zdaleka nestačí ani na korekci chyb, která by vyšla nastejno“ (přeloženo). Vyzval proto autory, aby zmírnili slovo „okamžité“ ve větě o příležitostech, které práce otevírá. V otištěném znění se mluví o proveditelnosti pokusů v blízké době. Nature u článku uvádí jako recenzenty Josepha Kerckhoffa, Johna Nichola a další, kteří zůstali v anonymitě.

Naše hodnocení: ta výtka je oprávněná a zároveň nemíří na to podstatné. Přeprava spinu, tedy to nové, dopadla nejlépe ze všech měřených operací. Nízké jsou věrnosti dvouqubitových hradel, což je známá slabina, kterou jinde už umějí udělat líp. Riziko je v tom, že se dva pokroky sečtou v hlavě čtenáře do jednoho a vyjde z toho korekce chyb, která nikde neproběhla.

Kolik zastávek by se vešlo

Autoři si spočítali, jak daleko by se s touhle stavbou dalo dojít. Podle geometrie zařízení by se vedle jednoho přepravního kanálu vešlo asi 110 zastávek. Naplnit je všechny by při rychlosti 50 metrů za sekundu a době znovunačtení kolem jedné mikrosekundy trvalo přibližně 120 mikrosekund. Těch 50 metrů za sekundu je ale cíl, ne naměřená hodnota: pokus jel na 1,8 metru za sekundu.

V odpovědi recenzentům autoři dopočítali i časy pro opakované hledání chyb. Se zrychlenou přepravou by jedno kolo odečtu mohlo trvat kolem osmi mikrosekund; měření pomocného qubitu zabralo v pokusu deset mikrosekund a šlo by je zkrátit asi na pět, za cenu častějšího dolaďování. Průměrná koherenční doba datového qubitu, tedy doba, po kterou si udrží svůj stav, je 334 mikrosekund. Vyjde z toho zhruba dvacet kol hledání chyb, než qubit o svůj stav přijde. Tato čísla stojí v recenzním spisu, ne v samotném článku.

Myšlenka převážet qubity není v kvantových počítačích nová, používají ji zachycené ionty i neutrální atomy. U polovodičových spinů je novum v tom, že jsou mnohem menší a dají se přesouvat rychleji. Delftské zařízení stojí vedle jiného směru, kterým se dostupnost korekce chyb řeší, totiž stěhování řídicí elektroniky přímo do kryostatu.

Zdroje: Undseth a kolektiv, Weight-four parity checks in a spin-shuttling architecture, Nature 655, strany 1160 až 1166 (2026), otevřený přístup pod licencí CC BY 4.0, přijato 4. června, vydáno 29. července 2026; recenzní spis k témuž článku; tisková zpráva ústavu QuTech z 29. července 2026.