Neutralne atomy zaskakują stabilnością. Nowa bramka kwantowa otwiera drogę do komputerów przyszłości

Budowa użytecznego komputera kwantowego przypomina trochę układanie gigantycznej układanki, w której każdy kawałek – kubit – zamiast spoczywać w jednym stanie, potrafi być równocześnie zerem i jedynką. Problem w tym, że te kawałki są wyjątkowo kapryśne: błąd pojawia się średnio raz na tysiąc operacji, podczas gdy w klasycznym tranzystorze zdarza się to raz na bilion. Czy da się stworzyć kubit, który jest stabilniejszy, szybszy i gotowy do współpracy z tysiącami innych? Zespół z ETH Zurich właśnie udowodnił, że tak.

Geometria zamiast siły – nowa filozofia bramkowania

→ Czytaj też: Tranzystor węższy od cząsteczki glukozy. IBM zszywa chipy w pionie, by ocalić prawo Moore’a

Większość dzisiejszych bramek kwantowych opiera się na precyzyjnym sterowaniu energią atomów – za pomocą laserów o ściśle określonej mocy i czasie trwania impulsu. Każde, nawet najmniejsze wahnięcie lasera oznacza błąd. Zespół kierowany przez Yanna Hendricka Kiefera poszedł inną drogą: zamiast „pchać” atomy, wykorzystał subtelne zjawisko fazy geometrycznej.

Jak to działa? Atomy potasu, schłodzone niemal do zera absolutnego, są utrzymywane w sieci optycznej – sztucznym krysztale zbudowanym z przecinających się wiązek laserowych. Kiedy dwa atomy zbliżą się do siebie na tyle, że ich funkcje falowe zaczynają się nakładać, zmienia się całkowity stan układu, ale zmiana ta zależy wyłącznie od geometrycznej ścieżki, jaką atomy przebyły, a nie od tego, jak szybko się poruszały ani jak silne było światło lasera. „Manipulacja tą funkcją falową generalnie wprowadza na nią fazę, która może mieć charakter dynamiczny albo geometryczny” – tłumaczy Kiefer w rozmowie z Live Science.

17 000 par kubitów z precyzją 99,91%

→ Czytaj też: Mikroroboty naprawią uszkodzony rdzeń kręgowy? Ryby i myszy już pływają i chodzą

Rezultaty są imponujące. W eksperymencie opisanym w Nature (DOI: 10.1038/s41586-026-10285-1) naukowcy zrealizowali bramkę swap – operację wymieniającą stany dwóch kubitów – z wiernością ponad 99,91%, działającą w czasie poniżej milisekundy. Co więcej, udało im się to w tym samym czasie na 17 000 parach kubitów, co stanowi rekordową skalę dla tej technologii. Dla porównania, bramki w systemach nadprzewodnikowych bywają szybsze (submikrosekundowe), ale działają na zaledwie kilku parach naraz.

Badacze poszli o krok dalej: wykazali też możliwość tworzenia bramek „pół-swap”, które tylko częściowo wymieniają stany kubitów. To kluczowe, bo właśnie w tej częściowej wymianie rodzi się kwantowe splątanie – esencja mocy obliczeniowej komputerów kwantowych. Pełny swap to tylko przenoszenie danych, ale pół-swap tworzy korelacje niemożliwe dla klasycznych bitów.

Dziesięć tysięcy kubitów zamiast miliona

Praktyczna budowa komputera kwantowego zdolnego do przełamania szyfrowania RSA (algorytm Shora) wydawała się odległa – dotychczasowe szacunki mówiły o milionach fizycznych kubitów. Tymczasem ostatnie analizy sugerują, że może wystarczyć zaledwie 10 000 takich jednostek, pod warunkiem że będą odpowiednio stabilne i odporne na błędy. Nowa bramka neutralno-atomowa idealnie wpisuje się w tę strategię.

„Komputery kwantowe na praktyczną skalę wciąż wymagają znaczących postępów. Najbardziej ograniczającymi czynnikami są skala i wierność” – przyznaje Kiefer. Następnie dodaje: „Przed nami jeszcze dużo pracy, zanim faktycznie rozwiążemy algorytm Shora, ale wchodzimy w fazę, w której marzenie o komputerze kwantowym może powoli zamieniać się w rzeczywistość – to ekscytujące czasy!”.

Co dalej?

Kolejnym krokiem jest połączenie opracowanej bramki z mikroskopem kwantowym zdolnym do obrazowania i manipulowania pojedynczymi parami atomów. To pozwoli zbudować elastyczną, programowalną architekturę obliczeniową, w której błędy będą tłumione na poziomie samej operacji, a nie dopiero po fakcie w kosztownych korekcjach. Jeśli ta strategia się powiedzie, atomowe komputery kwantowe – ciche, chłodne i stabilne – mogą stać się realną konkurencją dla nadprzewodnikowych gigantów.