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

Kvantové počítače

Google Quantum AI spustil na platformě Kaggle soutěž s celkovou dotací 150 tisíc dolarů zaměřenou na automatickou optimalizaci fault-tolerantních kvantových obvodů pomocí AI agentů. Soutěž se opírá o novou open-source knihovnu kickmix integrovanou do frameworku Qualtran, která umožňuje efektivně ověřovat správnost velmi rozsáhlých kvantových podprogramů na klasickém hardwaru bez nutnosti provádět plnou simulaci kvantového stavu. Soutěž se zaměřuje na části algoritmů, které obvykle dominují výsledným nárokům fault-tolerantních výpočtů, například aritmetické operace používané v kvantové chemii, simulacích fúzního plazmatu nebo v dekodérech pro algoritmy DQI. Klíčovou myšlenkou je využití tzv. kickmix obvodů, jejichž struktura dovoluje rychlé klasické ověřování kandidátních řešení a tím poskytuje automatizovaný hodnoticí signál pro AI systémy hledající efektivnější implementace. Namísto hledání nových kvantových algoritmů se tedy soutěž soustředí na kompresi již známých obvodů, zejména na snižování počtu Toffoliho hradel, hloubky obvodů nebo nároků na operace QROM. Podobně jako několik nedávných prací z oblasti AI-assisted quantum compilation i tento projekt naznačuje, že významná zlepšení mohou vznikat na úrovni kompilace a implementačních detailů, kde stále existuje prostor pro objevování efektivnějších konstrukcí než těch navržených ručně.

Výzkumníci z University of Osaka představili novou variantu spinového qubitu v polovodičových kvantových tečkách, která využívá tři kvantové tečky namísto běžných dvou. Přidáním pomocné třetí tečky získali dodatečný parametr pro ladění energetické struktury elektronu, což označují jako orbital band engineering. Díky tomu lze po výrobě čipu do určité míry nezávisle nastavovat rychlost ovládání qubitu a jeho odolnost vůči elektrickému šumu, tedy dvě vlastnosti, které si u spinových qubitů často konkurují. Autoři demonstrovali provozní frekvence přes 100 MHz, v některých konfiguracích až 271 MHz, a současně rozšířili oblast pracovních parametrů, kde je qubit méně citlivý na fluktuace napětí. Ve spojení se zpětnovazebním řízením založeným na strojovém učení se podařilo prodloužit dobu defázování (dephasing time) přibližně z 52 ns na 580 ns a dosáhnout fidelity jednoqubitových operací až 99,72 %.

IBM Quantum představil metrové supravodivé propoje označované jako L-couplers, které umožňují kvantově propojit dva samostatné 120qubitové procesory IBM Quantum Nighthawk R1 umístěné v jednom kryostatu. V demonstraci byly mezi čipy provozovány čtyři nezávislé kryogenní linky o délce přibližně 80 cm a dosaženo bylo průměrné fidelity přenosu kvantového stavu 99,0 %, přičemž nejlepší spoj dosáhl 99,29 %. Architektura využívá speciální laditelné pomocné qubity, přes které je kvantová informace přenášena mezi moduly, což umožňuje realizovat i dvouqubitové operace mezi qubity nacházejícími se na různých procesorech. Tyto vzdálené brány CZ zatím dosahovaly fidelity okolo 94,8 %, což je stále pod úrovní běžných operací uvnitř jednoho čipu, avšak podle analýzy je většina chyb způsobena vlastnostmi pomocných propojovacích qubitů, nikoli samotného kabelového propojení.

Výzkumníci z Yonsei University představili neuronový dekodér pro kvantovou korekci chyb založený na architektuře Mamba, který by mohl usnadnit nasazení strojového učení v reálném čase při provozu fault-tolerantních kvantových počítačů. Na rozdíl od modelů typu Transformer, jako je AlphaQubit, využívá Mamba tzv. state-space model, který zpracovává syndromy chyb s výpočetní složitostí O(d²) místo O(d⁴), kde d označuje vzdálenost kódu pro korekci chyb. Díky tomu výrazně klesají nároky na výpočetní výkon i latence dekódování. Autoři ukázali, že na datech z procesoru Google Quantum AI Sycamore dosahuje jejich přístup srovnatelné přesnosti jako dekodéry typu Transformer, avšak při započtení realistických zpoždění dekódování vykazuje nižší výslednou logickou chybovost. To je důležité, protože pokud dekodér nedokáže analyzovat syndromy dostatečně rychle, qubity během čekání dále akumulují šum a výhoda lepšího algoritmu se ztrácí. Práce tak upozorňuje na často přehlížený aspekt kvantové korekce chyb: nestačí pouze správně určit, kde došlo k chybě, ale je nutné to zvládnout v časovém okně řádově stovek nanosekund až mikrosekund. Autoři zároveň upozorňují, že praktické nasazení bude pravděpodobně vyžadovat implementaci těchto modelů na FPGA nebo specializovaných ASIC akcelerátorech, aby bylo možné splnit přísné časové požadavky budoucích kvantových procesorů.

Společnost IQM oznámila, že na svém supravodivém procesoru IQM Emerald úspěšně připravila GHZ stav zahrnující všech 54 qubitů současně, tedy kvantové provázání napříč celým čipem. Jako metrika byla použita fidelita připraveného stavu, která dosáhla hodnoty 0,516 po aplikaci mitigace chyb čtení (readout error mitigation), což je nad hranicí 0,5 běžně používanou pro rozlišení skutečného multipartitního provázání od výsledků vysvětlitelných klasickým šumem. Výsledek nebyl dosažen novou generací hardwaru, ale kombinací vylepšených kalibračních postupů, výběru qubitů, dynamického decouplingu a automatizovaného algoritmu pro přípravu GHZ stavu, který optimalizuje pořadí dvouqubitových bran tak, aby minimalizoval dobu nečinnosti jednotlivých qubitů během výpočtu. Podle IQM bylo dosud při podobných úlohách možné na procesoru spolehlivě využívat přibližně 30 qubitů v rámci jednoho algoritmu, zatímco nyní byla předvedena koherentní operace nad celým čipem. Přestože GHZ benchmark nepředstavuje přímo praktickou výpočetní úlohu, jde o užitečný indikátor kvality procesoru, protože vyžaduje správnou funkci všech qubitů i jejich vzájemných propojení v jediném kvantovém obvodu.

Kvantové algoritmy a software

Společnost Quantum Art publikovala práci popisující kvantový algoritmus pro simulaci šíření vln, který se snaží využít známé fyzikální vlastnosti problému přímo při konstrukci kvantového výpočtu. Namísto toho, aby kvantový počítač prohledával celý matematický prostor možných řešení, algoritmus pracuje pouze se stavy odpovídajícími fyzikálně přípustnému šíření vln o dané frekvenci a v daném prostředí. Tím se vyhýbá části výpočetní režie, která omezuje řadu dosavadních kvantových přístupů při simulacích elektromagnetických, akustických nebo seismických vln. Autoři tvrdí, že náročnost metody roste s velikostí simulované oblasti pomaleji než u alternativních algoritmů a že některé úlohy vyžadující na klasických počítačích mřížky o velikosti 10¹⁸ až 10²¹ bodů by teoreticky mohly být reprezentovány přibližně stovkou qubitů. Je však třeba dodat, že jde o algoritmickou studii a odhadované parametry vycházejí z teoretické analýzy, nikoliv z demonstrace na reálném fault-tolerantním kvantovém počítači.

Společnost OpenAI oznámila, že externí skupina teoretických informatiků včetně Russella Impagliazza, Ramamohana Paturiho z University of California, San Diego a Ryana Williamse z MIT bude nezávisle prověřovat důkaz vygenerovaný umělou inteligencí, který má zpochybňovat platnost hypotézy exponenciálního času (Exponential Time Hypothesis, ETH). ETH je jedním ze základních předpokladů teorie výpočetní složitosti a používá se mimo jiné při odvozování limitů efektivity klasických algoritmů pro některé obtížné problémy. Její případné vyvrácení by mohlo ovlivnit i část argumentů používaných při odhadech kvantové výhody, protože některé analýzy obtížnosti klasické simulace kvantových obvodů vycházejí z příbuzných hypotéz, zejména Strong Exponential Time Hypothesis. Současně však autoři zdůrazňují, že ani případné potvrzení důkazu by samo o sobě neznamenalo vznik prakticky použitelných klasických algoritmů ani automatické zpochybnění kvantové výhody v reálných úlohách. Pro kvantovou komunitu tak jde zatím spíše o podnět k pečlivému přezkoumání některých teoretických předpokladů než o důkaz, že by se změnilo praktické srovnání mezi klasickými a kvantovými počítači.

Kvantová bezpečnost a kvantové sítě

NIST vydal nový dokument popisující praktický postup přechodu na postkvantovou kryptografii (PQC), tedy kryptografické algoritmy navržené tak, aby odolaly i budoucím fault-tolerantním kvantovým počítačům. Dokument nenavrhuje nové šifrovací standardy, ale zaměřuje se na jejich nasazení v reálných systémech a identifikuje, které dnes používané algoritmy bude nutné postupně vyřadit a jaké náhrady jsou pro jednotlivé scénáře vhodné. Zvláštní pozornost je věnována hrozbě „harvest now, decrypt later“, kdy mohou útočníci již dnes ukládat šifrovaná data s cílem dešifrovat je v budoucnu po dosažení dostatečně výkonných kvantových počítačů. Součástí doporučení je i využívání hybridních schémat kombinujících klasickou a postkvantovou kryptografii během přechodného období. Dokument navazuje na standardy PQC zveřejněné NIST v roce 2024 a podporuje aktuální americkou strategii, podle níž mají být nejdůležitější federální systémy migrovány na postkvantové mechanismy pro výměnu klíčů do roku 2030 a pro digitální podpisy do roku 2031.

Společnost IonQ oznámila nasazení produkční kvantově odolné komunikační infrastruktury propojující její pracoviště v Ženevě a Soulu. Architektura kombinuje dvě rozdílné technologie: kvantovou distribuci klíče (QKD) pro výměnu šifrovacích klíčů na lokálních optických trasách a postkvantovou kryptografii (PQC) pro ochranu mezikontinentální komunikace přes běžnou telekomunikační infrastrukturu. Praktickým důvodem tohoto hybridního přístupu je skutečnost, že QKD poskytuje velmi silné bezpečnostní záruky, ale fyzikální útlum optického signálu omezuje její dosah na stovky kilometrů, zatímco PQC lze nasadit v existujících sítích prakticky bez geografických omezení. IonQ proto využívá QKD v lokální síti kolem ženevských pracovišť a pro spojení mezi Evropou a Asií používá VPN infrastrukturu zabezpečenou PQC algoritmy standardizovanými organizací NIST. Chráněna mají být mimo jiné telemetrická data kvantových procesorů, interní komunikace nebo logy cloudových služeb. Z technického pohledu nejde o demonstraci nové komunikační technologie, ale spíše o ukázku toho, jak lze kombinovat existující nástroje QKD a PQC do jedné provozní architektury určené pro organizace, které začínají řešit migraci na kvantově odolnou kryptografii.

Společnost Alice & Bob zveřejnila novou analýzu nároků na spuštění Shorova algoritmu, podle níž by faktorizace klíče RSA-2048 mohla být na fault-tolerantním kvantovém počítači založeném na cat qubitech provedena s přibližně 22 593 fyzickými qubity za 3,14 dne. Odhad vychází z kombinace několika technických vylepšení, zejména použití cat qubitů, které na hardwarové úrovni potlačují chyby typu bit-flip, dále z nasazení LDPC-cat kódů pro efektivnější korekci chyb a z přepracované implementace aritmetických operací, které tvoří významnou část výpočetní zátěže Shorova algoritmu. Autoři navíc nepracovali pouze s počtem logických qubitů, ale modelovali konkrétní rozložení a časování fyzických zdrojů na úrovni celé architektury. Studie rovněž odhaduje, že útok na 256bitovou kryptografii na eliptických křivkách by vyžadoval přibližně 29 588 fyzických qubitů a necelých 62 minut výpočtu. Je však důležité zdůraznit, že nejde o experimentální demonstraci ani o předpověď blízké realizace takového stroje, ale o teoretický odhad potřebných zdrojů založený na předpokládaných parametrech budoucího fault-tolerantního hardwaru. Navíc je třeba připomenout, že zatím bylo demonstrováno jen málo cat qubitů a vlastní roadmapa společnosti Alice & Bob počítá s 1 000 qubity až v roce 2030.

Kvantové technologie

Společnost PsiQuantum představila demonstrátor optického přepínače (Optical Circuit Switch, OCS) určeného pro AI datová centra, který je postaven na stejné nízkoztrátové platformě křemíkové fotoniky (silicon photonics), jakou firma vyvíjí pro svůj fotonický fault-tolerantní kvantový počítač. Demonstrátor využívá architekturu 8×8 a podle zveřejněných parametrů dosáhl vložného útlumu pouze 1,2 dB, přeslechu 40 dB a doby přepnutí kratší než 3 ms, a to bez použití optických zesilovačů. Zajímavé na oznámení není ani tak samotné optické přepínání, jako spíše skutečnost, že technologie původně vyvíjené pro kvantové počítače začínají nacházet uplatnění i v jiných oblastech výpočetní infrastruktury. PsiQuantum argumentuje tím, že požadavky fault-tolerantních fotonických kvantových systémů na optické ztráty, kvalitu integrovaných fotonických součástek a škálovatelnost jsou v řadě ohledů přísnější než požadavky současných AI sítí. Firma již poskytuje vzorky vybraným zákazníkům a plánuje komerční produkty zaměřené na propojování výpočetních clusterů v datových centrech. Novinka tak ilustruje trend, kdy se výzkum kvantových technologií postupně prolíná s širším ekosystémem pokročilých výpočetních systémů, přičemž některé vyvinuté komponenty mohou nalézt komerční využití ještě před vznikem plně fault-tolerantních kvantových počítačů.

Kvantový byznys, investice a politika

Německý startup RhymeQ získal pre-seed investici ve výši 2,2 milionu dolarů na rozvoj platformy Rhyme, která se snaží zpřístupnit programování kvantových počítačů běžným vývojářům se znalostí Pythonu.

Společnost Intel oznámila záměr akvizice Classiq, jednoho z nejznámějších dodavatelů softwaru pro automatizovaný návrh kvantových algoritmů a obvodů. Podle oznámení chce Intel spojit vlastní vývoj křemíkových spinových qubitů, kryogenní řídicí elektroniky a softwarových nástrojů s platformou Classiq, která umožňuje generovat kvantové programy na vyšší úrovni abstrakce bez nutnosti ručního návrhu jednotlivých kvantových obvodů. Classiq je známý především svým přístupem označovaným jako quantum algorithm synthesis, kdy uživatel specifikuje požadovanou funkci nebo omezení a software automaticky vytváří odpovídající implementaci optimalizovanou pro cílový hardware. Intel deklaruje, že i po dokončení transakce plánuje zachovat podporu různých kvantových platforem a neomezit software pouze na vlastní hardware.

Společnost QuantrolOx, spin-off z University of Oxford, získala v investičním kole Series A2 financování ve výši 12 milionů eur na další rozvoj automatizace kvantového hardwaru a vzdělávacích platforem pro kvantové technologie. Firma se nezaměřuje na vývoj vlastních qubitů, ale na softwarové a provozní vrstvy, které mají usnadnit vývoj a provoz kvantových procesorů.