Přinášíme vám týdenní přehled ze světa kvantových počítačů, softwaru, algoritmů, sítí, kryptografie a technologií, včetně kvantového byznysu a investic.

Kvantové počítače

Výzkumníci ze Zhejiang University experimentálně realizovali architekturu bucket-brigade QRAM (Quantum Random Access Memory) na programovatelném supravodivém kvantovém procesoru. QRAM je často zmiňována jako chybějící součást mnoha kvantových algoritmů, protože umožňuje načítat klasická data do kvantového výpočtu bez nutnosti sekvenčního zpracování každé položky zvlášť. V experimentu se podařilo implementovat dvouvrstvou i třívrstvou QRAM architekturu včetně kompletního cyklu načtení adresy, zápisu dat, jejich vyčtení a obnovení adresové informace. Autoři přitom navrhli vlastní implementaci kvantových routerů, která zkrátila hloubku obvodu o více než 30 % oproti běžnému přístupu založenému na CSWAP branách, a doplnili ji metodou potlačení chyb využívající samotné router qubity jako indikátory chyb. U dvouvrstvé architektury dosáhli fidelity dotazu až 0,80, u třívrstvé přibližně 0,60. Součástí práce byla také analýza šíření chyb mezi jednotlivými větvemi QRAM stromu, která podle autorů experimentálně potvrzuje jednu z hlavních výhod bucket-brigade návrhu – lokalizované šíření chyb namísto jejich nekontrolovaného šíření napříč celou pamětí.

Výzkumníci z Tokyo University of Science se zaměřili na původ mikroskopického šumu v polovodičových spinových qubitech a analyzovali roli tzv. two-level fluctuators (TLF), tedy lokálních defektů v materiálu, které mohou náhodně přepínat mezi dvěma stavy a tím ovlivňovat rezonanční frekvenci qubitu. Studie ukazuje, že právě tyto fluktuátory mohou vysvětlovat experimentálně pozorované frekvenční posuny a zhoršování fidelity kvantových bran. Autoři vytvořili model popisující chování TLF při různých teplotách a rychlostech přepínání a identifikovali oblasti parametrů, ve kterých lze jejich negativní vliv výrazně omezit. Zajímavým výsledkem je, že za určitých podmínek nemusí zvýšení provozní teploty vést automaticky ke zhoršení výkonu qubitu; naopak může pomoci dostat systém do režimu, kde jsou některé projevy šumu méně škodlivé. Práce tak neposkytuje novou metodu korekce chyb, ale snaží se lépe porozumět konkrétním fyzikálním mechanismům, které dnes omezují výkon spinových kvantových procesorů.

Výzkumníci z IonQ demonstrovali na jednom 40iontovém systému z uvězněných iontů celkem devět různých kvantových korekčních kódů ze tří odlišných rodin – qLDPC kódy, torické kódy a konkatenované kódy – bez jakýchkoliv změn hardwarové konfigurace zařízení. Největší pozornost získaly qLDPC kódy, které jsou považovány za slibnou alternativu k surface code díky výrazně vyšší hustotě logických qubitů. V experimentu se podařilo implementovat qLDPC kód kódující čtyři logické qubity do osmnácti fyzických qubitů a dosáhnout logické chybovosti až devětkrát nižší než v předchozí demonstraci podobného qLDPC kódu na supravodivém procesoru. Některé z testovaných kódů zároveň dosáhly tzv. breakeven režimu, kdy logický qubit vydrží stejně dlouho nebo déle než fyzické qubity, ze kterých je vytvořen. Důležitou součástí práce byla také implementace architektury OMG (optical-metastable-ground), která umožňuje opakovaná měření a reset qubitů bez potřeby přesouvání iontů nebo použití specializovaných chladicích iontů, což bývá u trapped-ion systémů významná režijní zátěž.

IQM představilo novou rodinu kvantových korekčních kódů nazvanou barbell codes, která je navržena přímo pro jejich supravodivou architekturu Constellation. Podle firmy dosahují tyto kódy až o tři řády nižší logické chybovosti než surface code a současně vyžadují až osmkrát méně fyzických qubitů. Klíčem je využití topologie Constellation, kde každý qubit může přímo interagovat až s dvanácti sousedy, zatímco běžná čtvercová mřížka nabízí typicky pouze čtyři propojení. Barbell codes využívají tuto vyšší konektivitu a pro každou druhou pozici přidávají jedinou delší vazbu mezi dvěma částmi struktury, čímž vytvářejí qLDPC kód s vysokým výkonem bez potřeby velkého množství křížících se propojení. IQM zdůrazňuje, že návrh byl od začátku optimalizován s ohledem na praktickou výrobu supravodivých čipů a snaží se vyhnout kompromisu mezi kvalitou korekce chyb a složitostí hardwaru, který bývá u mnoha alternativních přístupů problémem.

Společnost Alice & Bob představila systém Helium Quantum System, tedy svůj první kompletní kvantový počítač určený pro instalaci přímo u výzkumných partnerů. Systém je postaven na cat qubitech a je navržen tak, aby dokázal vytvořit první logický qubit pomocí pouhých 18 fyzických cat qubitů. Na rozdíl od předchozích oznámení zaměřených na jednotlivé čipy jde o kompletní platformu zahrnující procesor, kabeláž, řídící elektroniku i software optimalizovaný pro kvantovou korekci chyb. Helium je zároveň koncipován jako rozšiřitelný systém, který má v budoucnu podporovat i připravovaný 48qubitový procesor s více logickými qubity. Součástí platformy je nové rozhraní Starboard pro monitorování systému a spravování úloh a také integrace s HPC prostředím prostřednictvím nástrojů jako Slurm, QRMI a softwarového frameworku Felis. Firma přitom zdůrazňuje, že cílem není poskytovat výpočetní kapacitu jako službu, ale umožnit výzkumným partnerům přímo experimentovat s architekturou cat qubitů a s metodami kvantové korekce chyb.

Kvantový software a algoritmy

Výzkumníci z IonQ, Université Paris Cité, CNRS, QC Ware a Quantum Signals představili framework pro trénování kvantových neuronových sítí přímo na kvantovém hardwaru, který výrazně snižuje počet potřebných vyhodnocení kvantových obvodů během optimalizace. Kombinace Butterfly architektury, postupného trénování po vrstvách a paralelizované varianty parameter-shift metody redukuje náročnost výpočtu gradientů z přibližně kvadratického škálování na logaritmické vzhledem k počtu qubitů. Díky tomu se autorům podařilo přímo na systému IonQ Forte Enterprise natrénovat 16qubitovou kvantovou neuronovou síť a následně provést inferenci i ve 32qubitové konfiguraci. Jako testovací úlohu zvolili imputaci chybějících klinických dat z databáze MIMIC-III a následnou predikci přežití pacientů. Podle publikovaných výsledků dosahoval hybridní kvantově-klasický model srovnatelného výkonu s kvalitními klasickými neuronovými sítěmi, přičemž vykazoval menší rozptyl výsledků mezi jednotlivými běhy trénování. Článek zdůrazňuje především skutečnost, že optimalizace probíhala přímo na kvantovém procesoru, nikoliv pouze v simulaci, což bývá u větších kvantových neuronových sítí kvůli nákladnému výpočtu gradientů obtížné.

Kvantová bezpečnost a sítě

Konečně! Let’s Encrypt ve svém blogu popisuje svou strategii přechodu na postkvantovou infrastrukturu veřejných certifikátů a jako hlavní směr si vybírá koncept Merkle Tree Certificates (MTC). Důvodem je skutečnost, že běžné postkvantové podpisové algoritmy mají výrazně větší veřejné klíče a podpisy než dnešní ECDSA nebo RSA, což by znamenalo citelné zvětšení TLS certifikátů a zátěž pro webovou infrastrukturu. MTC tento problém řeší tím, že místo jednoho velkého postkvantového podpisu používá stromovou strukturu založenou na hashovacích funkcích, kde klient ověřuje pouze malou část potřebných dat. Podle Let’s Encrypt tak lze získat postkvantovou autentizaci bez dramatického nárůstu velikosti certifikátů nebo zatížení sítě. Organizace zároveň uvádí, že se aktivně podílí na standardizaci této technologie v IETF a plánuje nabídnout testovací prostředí pro vydávání MTC certifikátů koncem roku 2026, přičemž produkční nasazení očekává během roku 2027.

Výzkumníci demonstrovali trusted-node QKD spojení na celkové vzdálenosti 303 km mezi Linköping a stockholmským uzlem švédské národní kvantové komunikační infrastruktury. Systém kombinoval 270 km již existujícího jednovidového optického vlákna s 33 km úsekem vícejádrového (multi-core) vlákna simulujícího metropolitní přístupovou síť. Experiment využíval komerční QKD systémy doplněné o externí supravodivé jednofotonové detektory, které umožnily provoz i při vyšších ztrátách, než podporují standardní integrované detektory. Autoři navíc během provozu aktivně přepínali QKD kanál mezi různými jádry vícejádrového vlákna, zatímco v ostatních jádrech současně běžel ethernetový provoz a byl přidáván optický šum. Součástí demonstrace bylo také použití vygenerovaných klíčů pro šifrování obrazových dat pomocí one-time pad, kde se ukázalo, jak omezená a proměnlivá rychlost generování klíčů ovlivňuje kvalitu přenášeného obrazu v závislosti na použité kompresi.

Ostatní

Dostal jsem tip na knihu, která kombinuje detektivku a zároveň vysvětluje kvantovou fyziku se zaměřením na kvantové počítače, kde klidně můžete přeskočit dějové nebo naopak výkladové kapitoly. Více o knize najdete zde.

Kvantový byznys, investice a granty

IQM dodalo další kvantový počítač IQM Radiance s 54 qubity do CINECA v Itálii. Pro IQM je to již druhý dodaný kvantový počítač do Itálie. V CINECA však koupil rovnou dva kvantové počítače. Tím druhým je 140-qubitový Pasqal Orion na bázi neutrálních atomů.