Neutrální atomy místo supravodičů: jak Hanyuan-2 funguje

Většina známých kvantových počítačů — včetně systému Willow od Googlu nebo procesorů IBM — využívá supravodivé qubity. Tyto systémy vyžadují extrémní chlazení na teploty blízké absolutní nule (typicky kolem 10–15 milikelvinů), čehož dosahují pomocí takzvaných rozpouštěcích refrigerátorů. Ty jsou nejen drahé, ale také energeticky náročné — samotné chlazení si může vyžádat přes 20 kW.

Hanyuan-2 využívá zcela odlišný přístup. Pracuje s neutrálními atomy rubidia, které jsou zachyceny v optické mřížce pomocí laserových pinzet (takzvaných optical tweezers). Každý atom funguje jako jeden qubit a lasery slouží jak k uchopení atomu na správném místě, tak k provádění kvantových operací. Tento přístup nevyžaduje extrémní chlazení supravodivých obvodů — stačí laserové chlazení atomů na mikroklevinové teploty, což je technologicky jednodušší a energeticky úspornější.

Právě nízká spotřeba je jedním z nejzajímavějších parametrů Hanyuan-2. Zatímco supravodivý kvantový počítač s 200 qubity by vyžadoval desítky kilowattů, Hanyuan-2 si podle výzkumníků vystačí s méně než 7 kW. Pro představu: to je asi tolik, co spotřebuje běžná domácí trouba nebo dvě rychlovarné konvice.

Dvě jádra, dva izotopy: proč na tom záleží

Největší inovací Hanyuan-2 je jeho dvoujádrová architektura. Systém obsahuje dva samostatné kvantové procesory, každý se 100 qubity — jeden využívá atomy izotopu rubidia-85, druhý izotop rubidia-87.

Proč dva různé izotopy téhož prvku? Rubidium-85 a rubidium-87 se liší počtem neutronů v jádře, což ovlivňuje jejich kvantové vlastnosti. Každý izotop má mírně odlišné energetické hladiny a odlišnou citlivost na vnější rušení. Použitím dvou různých izotopů ve dvou paralelních procesorech mohou výzkumníci provádět výpočty, které by na jednom typu qubitů nebyly možné, a zároveň porovnávat výsledky mezi oběma jádry pro detekci a korekci chyb.

Tato architektura připomíná vývoj klasických počítačových procesorů. V 90. letech a na počátku 21. století se výrobci čipů jako Intel a AMD potýkali s fyzikálními limity zvyšování taktovací frekvence jednojádrových procesorů. Řešením se staly vícejádrové architektury — místo jednoho rychlejšího jádra začali používat více jader pracujících paralelně. Hanyuan-2 naznačuje, že podobná cesta by mohla fungovat i v kvantovém světě.

Kvantový šum a stabilita: největší nepřítel qubitů

Kvantové počítače trpí zásadním problémem: qubity jsou extrémně křehké. Jakékoliv vnější rušení — elektromagnetické pole, teplotní výkyvy, nebo dokonce kosmické záření — může způsobit ztrátu kvantové informace. Tomuto jevu se říká dekoherence a je hlavní překážkou škálování kvantových systémů.

Neutrální atomy mají v tomto ohledu přirozenou výhodu. Na rozdíl od supravodivých qubitů, které jsou vyrobeny uměle a každý je trochu jiný, jsou atomy rubidia zcela identické — příroda je „vyrábí" s dokonalou přesností. To znamená konzistentnější chování a méně chyb. Dvoujádrová konstrukce Hanyuan-2 navíc umožňuje, aby jedno jádro sloužilo jako reference pro druhé, což by mělo dále zlepšit schopnost detekovat a opravovat chyby.

Podle výzkumníků za Hanyuan-2 by dvoujádrový design mohl zlepšit stabilitu a snížit kvantový šum — tedy dva parametry, které přímo ovlivňují, kolik užitečných operací lze na kvantovém počítači provést, než se qubity „rozbijí". V oblasti neutrálních atomů je to významný krok, protože právě stabilita qubitů je klíčovým faktorem pro budoucí škálování na tisíce a miliony qubitů.

Jak si Hanyuan-2 stojí ve srovnání s konkurencí

V oblasti neutrálních atomů není Čína jediným hráčem. Americký startup QuEra (spin-off z Harvardu a MIT) provozuje 256-qubitový systém a plánuje škálování na tisíce qubitů. Francouzský Pasqal, založený nositelem Nobelovy ceny Alainem Aspectem, dodává neutrální atomové kvantové procesory evropským výzkumným centrům včetně německého Jülich Supercomputing Centre.

V supravodivém světě vede Google s procesorem Willow (105 qubitů) a IBM s procesorem Condor (1 121 qubitů). Jenže počet qubitů není vše — zásadní je také jejich kvalita, měřená tzv. fidelity (věrností) operací a odolností vůči chybám.

Hanyuan-2 se 200 qubity a spotřebou pod 7 kW je v přepočtu na qubit velmi energeticky efektivní. Pro srovnání: supravodivý systém IBM Q System One spotřebuje pro chlazení a provoz výrazně více energie, a to i při menším počtu qubitů. Energetická účinnost bude hrát čím dál důležitější roli, zejména s ohledem na rostoucí tlak na udržitelnost datových center.

Co to znamená pro Evropu a Česko

Evropská unie investuje do kvantových technologií miliardy eur prostřednictvím programu Quantum Flagship a iniciativy EuroHPC, která plánuje vybudovat síť kvantových počítačů napříč členskými státy. V červnu 2025 byl v Ostravě spuštěn projekt Czech AI Factory, který kombinuje superpočítačové a AI kapacity. Přímé zapojení kvantového hardwaru v Česku je zatím v počátcích, ale výzkumné skupiny na ČVUT, Univerzitě Palackého a Masarykově univerzitě se kvantovým technologiím aktivně věnují.

Zpráva o Hanyuan-2 přichází v době, kdy se kvantové počítače pomalu přesouvají z akademických laboratoří do komerční sféry. Evropské firmy jako Pasqal již nabízejí cloudový přístup ke kvantovým procesorům. Hanyuan-2 sice zatím není komerčně dostupný ani v Číně, natož v Evropě, ale jeho architektura ukazuje směr, kterým se obor ubírá: modularita, energetická efektivita a praktická škálovatelnost.

Kvantové počítače a AI: propojení, které dává smysl

Kvantové počítání a umělá inteligence se stále více prolínají. Společnost NVIDIA nedávno zveřejnila open-source modely pro stabilizaci qubitů, o kterých jsme na Jarvis AI již psali. Hybridní přístup — kde klasický AI model řídí a koriguje kvantové operace — by mohl výrazně urychlit cestu k prakticky využitelným kvantovým počítačům.

Hanyuan-2 se svou dvoujádrovou architekturou do tohoto příběhu zapadá: představuje krok směrem k modulárním systémům, kde lze jednotlivá kvantová jádra kombinovat a spravovat podobně, jako dnes orchestrujeme kontejnery v cloudu. A právě AI by mohla být nástrojem, který takovou orchestraci umožní.