Powstał najpotężniejszy komputer kwantowy. Megaprocesor pobił rekord

Klasyczne komputery cyfrowe, do których zaliczają się nasze komputery osobiste, smartfony, serwery i superkomputery, wykorzystują do obliczeń procesory oparte na krzemie i działają w systemie binarnym (zero-jedynkowym). Te największe lub połączone w chmurę są dziś naprawdę potężne, ale w pewnych scenariuszach - np. związanych z zaawansowanymi symulacjami, szukaniem rozwiązań problemów czy kryptografią - działają o wiele wolniej niż komputery kwantowe.

Czy komputer kwantowy istnieje? Owszem, jest na świecie trochę takich maszyn, a jedną z nich ma nawet Polska. Rzecz w tym, że te urządzenia oparte na efektach kwantowych (superpozycji i splątaniu) są dość niestabilne, wrażliwe choćby na temperaturę i póki co dość małe w porównaniu do tego, jakie mogłyby być. Komputery kwantowe działają głównie w laboratoriach naukowych i wymagają chłodzenia do bardzo niskich temperatur.

Jak działa komputer kwantowy? Zamiast zer i jedynek w postaci bitów wykonuje on obliczenia na kubitach. Ponieważ na poziomie kwantowym 0 i 1 mogą występować jednocześnie, urządzenie to jest w stanie przetwarzać równolegle wiele danych w sposób o wiele szybszy niż tradycyjne komputery. Podstawową jednostką danych jest dla niego kubit (bit kwantowy), np. elektron lub foton, który może być splątany z innymi kubitami. Im jest ich więcej, tym komputer kwantowy jest szybszy.

W ciągu ostatniej dekady wiele firm i ośrodków naukowych pracowało nad stabilizacją i skalowaniem komputerów kwantowych, wliczając w to m.in. Microsoft, Google, IBM, Intel czy też polski Creotech Instruments. Wiele z nich dysponowało w ostatnich latach kilkudziesięcioma lub kilkuset kubitami. W 2023 r. Atom Computing jako pierwszy osiągnął ponad 1000 kubitów. IBM planuje budowę komputów kwantowych z 4 tys., 10 tys., a nawet milionem kubitów w przyszłości. Zanim jednak to nastąpi, do gry wkroczył nowy rekordzista.

Naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) ustanowili nowy rekord obliczeń kwantowych, tworząc działający system wykorzystujący ponad 6100 kubitów. Opierają się one na atomach cezu, uwięzionych w skomplikowanym systemie laserowym, który trzyma je w ryzach niczym pęseta, zapewniając im stabilność. Warto na marginesie odnotować, że za opracowanie technik pułapkowania i schładzania atomów laserem w 1997 roku nagrodę Nobla otrzymali fizycy Steven Chu, William D. Phillips i Claude Cohen-Tannoudji.

To właśnie duża liczba stabilnych kubitów sprawia, że algorytmy mogą działać wydajnie na komputerach kwantowych. Im większe ich układy, tym mniejsze ryzyko błędu i większa możliwość podwójnego sprawdzenia obliczeń. Twórcy tego rekordowego "megaprocesora" wyjaśnili, że do tego wyniku doszli nie tyle dzięki jakiemuś pojedynczemu przełomowi kwantowemu w ostatnich latach, lecz raczej dzięki wielu osiągnięciom w kluczowych obszarach, wliczając w to pęsety laserowe (szczypce optyczne) i komory próżniowe o bardzo niskim ciśnieniu.

Jak wygląda komputer kwantowy? Na wideo udostępnionym przez naukowców z Caltech można zobaczyć ten system z bliska, wliczając w to jego centrum dowodzenia.

Oprócz zakończonego sukcesem uwięzienia ponad 6100 kubitów w laserowych szczypcach optycznych naukowcom udało się ustanowić kolejny rekord - czas koherencji wynoszący 12,6(1) sekundy. To najlepszy w historii wynik dla kubitów utrzymywanych przez lasery. A to jeszcze nie wszystko.

"Prezentujemy czas uwięzienia w temperaturze pokojowej wynoszący ~23 minuty, umożliwiając rekordowo wysoką przeżywalność obrazowania na poziomie 99.98952(1)% z wiernością obrazowania przekraczającą 99,99%" - wyjaśniają inżynierowie, którzy swoje dokonanie opisali w "Nature".

Inżynierowie zaprezentowali też plany wykorzystania tego komputera kwantowego w praktyce, łącznie z metodami zapewniającymi mu zachowanie spójności i pozwalającymi transportować kubity oraz wykonywanie operacji pobierania i oddawania kubitów w dużych skalach przestrzennych. Kubitami w tym systemie można manipulować z dokładnością do 99,98%. System umożliwia teoretycznie zeskalowanie do 10 tys. kubitów.

"Nasze wyniki wraz z ostatnimi osiągnięciami wskazują, że uniwersalne przetwarzanie kwantowe oraz kwantowa korekcja błędów z tysiącami do dziesiątków tysięcy kubitów fizycznych mogą być perspektywą bliskiej przyszłości" - przekonują naukowcy.

Oznacza to, że prognozowana od wielu lat era kwantowa może w najbliższych latach stać się rzeczywistością. Potężne, szybkie, stabilne i zeskalowane komputery kwantowe będą mogły rozwiązywać skomplikowane problemy z prawdziwego świata, dotyczące m.in. zmian klimatu czy optymalizacji procesów, a także wynajdywać nowe leki i materiały oraz analizować ogromne zbiory danych w celu odnajdywania w nich prawidłowości i rozwiązań. Przewiduje się, że połączenie sztucznej inteligencji i przetwarzania kwantowego będzie prawdziwym przełomem XXI wieku.

Źródło: Manetsch, H.J., Nomura, G., Bataille, E. et al. A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4