Sázka na záhadnou částici Microsoftu vyšla. Teď chce z osmi udělat milion

„Tady venku má vzduch asi milion částeček na metr krychlový,“ vysvětluje skupince novinářů Geoff Gardner, jeden z výzkumníků Microsoftu, který nás provází po nově otevřené laboratoři v suterénu nenápadného obytného domu v dánském městě Lyngby. „Lidé se mne často ptají, co když si kýchnou. Ale tam uvnitř nebudete mít důvod si kýchnout.“ Na jeden metr krychlový tam totiž poletuje jen jedna jediná částice.

Neobratně se soukám do ochranného oděvu. Bylo by to určitě rychlejší, kdybych si býval sundal boty, jak nám průvodce před vstupem do superčisté laboratoře radil: „Ochranný oděv nemá chránit vás před tím prostředím, ale naopak. Chrání prostředí před vámi. Lidé jsou největším zdrojem znečištění.“ Proto máme hustou síťku na vlasech, roušku na obličeji, speciální návleky na boty, těsné rukavice i speciální kombinézu.

Mně ale v hlavě hlodá otázka a musím s ní ven: „A co když si tam v té superčisté ochranné místnosti… No, víte co. Pšouknu?“

„Žádné obavy,“ uklidňuje mne Gardner. „Veškerý objem vzduchu se v této místnosti promění šestkrát za minutu. Prochází superjemnými HEPA filtry. A vrací se do oběhu. Je to rychlé, ale ani si toho nevšimnete, protože vzduch proudí velkým množstvím malých otvorů ve stropě a v podlaze.“

Doufám, že jste si užili tuto pasáž o tom, jak je výzkumná laboratoř chráněna nejen před tělesnými funkcemi zvědavých novinářů. Je to totiž poslední část článku, která je pro nás běžné smrtelníky intuitivně pochopitelná. Reportáž o otevření nové kvantové laboratoře Microsoftu (náklady na cestu redaktora hradila společnost Microsoft - pozn. red.) nás totiž zavede do historie kvantové fyziky a zároveň budoucnosti kvantových počítačů. Což je svět, který je lidské intuici tak vzdálený, jak jen to jde.

Nedílnou součástí každého výzkumného pracoviště, které chce mít co do činění s kvantovými počítači, je místnost, kde se teplota měří v setinách stupně. Připomeňme, že v kosmickém prostoru je teplota asi -270 °C, tedy dva až tři stupně Kelvina. Vědci v laboratoři musejí dosáhnout teploty ještě o dva řády nižší, měří se v milikelvinech.

„Teplota má vliv na funkci našich kvantových čipů,“ vysvětlila nám vědkyně Emily Toomey, která nás provedla kryolaboratoří. Čím komplikovanější takový čip je, tím více drátků do něj musí vést, a i drobný elektrický proud má měřitelný vliv. „Chceme tento šum udržet na co nejnižší úrovni, a k tomu pomáhá ta nízká teplota.“ A jak známe, teplý plyn stoupá vzhůru, chladný jde dolů. Chytrým a opakovaným využitím tohoto principu lze sáhnout až k teplotě 0 stupňů Kelvina.

Funkční kvantový počítač samozřejmě tuto zlatou konstrukci nevystavuje na odiv zvědavým očím ani okolnímu vzduchu. Je schovaný v masivní konstrukci, která chrání křehké prostředí s extrémně nízkou teplotou.

I to je důvod, proč se s kvantovými počítači v dohledné době nepočítá jako s něčím, co by si lidé pořizovali do práce na stůl. Provoz je oproti běžným počítačům neuvěřitelně náročný a nákladný. Nemluvě o výzkumu a vývoji, který stojí miliardy dolarů. Do nové kvantové laboratoře v Dánsku Microsoft investoval asi tři miliardy korun. K jakému cíli směřuje?

O kvantových počítačích se mluví už skoro padesát let, v posledních letech o nich ale slyšíme čím dál častěji. Má jít o naprostou revoluci v tom, jak počítače fungují: „Kolem kvantových výpočtů panuje ohromné nadšení,“ říká Nathan Baker, jeden z hlavních specialistů na kvantové aplikace v divizi Microsoft Quantum. Všechny naše výpočetní technologie – od starověkých počítadel přes kalkulačky až po superpočítače v datových centrech – jsou vlastně založené na stejném principu „bitového počítání“.

„Teď poprvé máme technologii, která funguje na od základů odlišném principu,“ vysvětluje Baker. „To je samo o sobě důvodem k nadšení.“

Často jde ale o nadšení nepoučené a tedy nepodložené. Když se řekne kvantový počítač, většina lidí si automaticky představí superrychlý počítač. Za toto zjednodušení můžeme určitě i my novináři. Je to navýsost komplikované, abstraktní téma, a je proto lákavé navléknout na to nějakou zkratku typu „kvantový počítač vyřeší za pár minut úlohu, která by klasickému trvala miliony let“. Což je sice pravda, ale jen ve velmi úzkém slova smyslu. Kvantové počítače počítají úplně jinak, na jiném principu, a jen některé úlohy jsou vhodné pro to, aby se na nich ukázala jejich síla.

„Já jsem vzděláním chemik, takže mne samozřejmě nejvíce fascinuje zapojení kvantových počítačů právě při zkoumání nových materiálů a sloučenin,“ řekl mi Baker. Až budeme mít dostatečně velké a robustní kvantové počítače, budeme totiž moci zcela přesně simulovat třeba pokročilé materiály, které dosud neexistují.

„Pro klasický počítač je to neřešitelný problém, musíme dělat řadu zjednodušujících aproximací, a to vede k tomu, že se na výsledky nemůžeme spolehnout. Zato kvantové počítače můžou doslova simulovat tyto kvantové jevy, takže výsledek bude na první pokus použitelný,“ věří Baker.

Další typy problémů, které bude moci kvantový počítač řešit, se týkají medicíny (rapidní testování a hledání nových léků), optimalizace procesů nebo rychlého prohledávání netříděných dat.

Zatímco klasické počítače pracují s bity (nulami a jedničkami), kvantové počítače pracují s tzv. qubity. Ty mohou zastávat hodnoty pestřejší: kdekoli mezi nulou a jedničkou. „Je to, jako kdybyste dosud byli omezeni na to být jen na severním nebo jižním pólu zeměkoule a najednou byste dostali svobodu pohybovat se po celém povrchu,“ snaží se to přiblížit Baker. Tady často vysvětlení kvantových počítačů končí. Není divu, že to lidem nedává moc smysl. Copak by se „další čísla“ nedala prostě vyjádřit kombinací více nul a jedniček?

Kvantové počítače a jejich qubity naplno zazáří teprve díky tomu, že nejsou navzájem nezávislé, ale mohou být kvantově provázané. Nesnažte si to představit, v běžném světě nemáme pro tento podivný jev ekvivalent. Díky provázání ale kvantové počítače mohou během minut řešit složité úlohy, které by klasické počítače řešily klidně miliony let. Namísto toho, aby „krok po kroku“ ověřovaly všechny možnosti, totiž nasimulují výsledek. Qubity se – když se to správně navlékne – navzájem ovlivní a z kvantového počítače vypadne na velmi specifické zadání velmi konkrétní odpověď.

Kvantové provázání zajistí, že pravděpodobnosti „uložené“ v jednotlivých qubitech se budou vzájemně posilovat, nebo naopak vyrušovat. Na konci by se pravděpodobnostní váhy měly „dohodnout“ právě na optimálním řešení zadané úlohy. Ne proto, že by počítač prošel všechny možnosti jednu podruhé, ale proto, že „naráz“ prohledal celý prostor možných pravděpodobnostních kombinací.

„Důležité je, že bude odpověď správná napoprvé,“ zdůrazňuje Baker. To je pro něj jako pro chemika důležité: lék nebo katalyzátor, který „skoro funguje“, není zdaleka tak užitečný jako ten, který opravdu funguje.

Zatím jsou ale takové užitečné úlohy zcela mimo dosah současných kvantových počítačů. I ty nejpokročilejší mají zatím jen stovky nebo těsně přes tisíc qubitů. Což je hodně, ale pořád to nestačí na pokročilé úlohy. Brání tomu především šum, se kterým se qubity musejí vypořádat. Sebemenší vibrace, zbloudilý atom nebo „závan“ elektromagnetického záření mohou vést k rozpadu křehké „pravděpodobnostní paměti“ a výsledkem je časté selhávání a nespolehlivost stávajících kvantových počítačů, což brání jejich růstu.

Kvantové počítače coby odvětví jsou tedy zatím stále ve stádiu laboratorního vývoje. V poslední dekádě se ale velcí hráči pochlubili s významnými úspěchy. V roce 2019 představil Google svůj čip Sacamore s 53 quibity, který zvládl – ve velmi úzce vymezené úloze – překonat klasické počítače. Loni pak Google ukázal kvantový čip Willow, který představil nový způsob „samokorekce chyb“ na úrovni qubitů. Firma IBM mezitím postupně představila stroje až s více než dvěma tisíci qubitů. Americká společnost Atom Computing zase vsadila na „atomové qubity“ a překonala s nimi hranici tisícovky qubitů.

A kde byl tou dobou na kvantové cestě Microsoft? Účastnil se stejných závodů – mimo jiné spolupracuje se zmíněnou firmou Atom Computing. Mezitím ale na pozadí v rámci spolupráce s univerzitami v Dánsku a Nizozemsku pracoval na ověření konceptu topologických qubitů. Ty slibovaly výraznou výhodu. Qubity spoléhající na topologii by nebyly tak náchylné na šum a chybovost, jako je tomu u ostatních technologií.

Uložení kvantové informace do topologie je pro běžnou lidskou představivost ještě o chlup těžší, než pochopit princip qubitů. Vědci novinářům nabídli přirovnání ke struně. Pokud byste uložili nějakou informaci do „natažení“ nějaké struny, bude tato informace velmi náchylná na okolní prostředí. Změna teploty, vlhkosti, silnější zabrnkání, to všechno strunu snadno rozladí.

Kdybychom ale místo toho stejné informace mohli uložit do uzlíků, které na té struně navážeme, najednou řada omezení zmizí. Uzlíky se neposunou, když strunu napneme a povolíme, teplota v místnosti jim nevadí a dokonce přežijí i nějaké to rozbrnkání.

Na konceptu topologických qubitů pracoval Microsoft s univerzitními týmy více než deset let. Víceméně v ústraní. „Udělali jsme krok zpět a řekli jsme si, co by to znamenalo, kdybychom měli vynalézt ekvivalent tranzistoru pro éru kvantových počítačů?“ vysvětlil v únoru 2025 Chetan Nayak, který v Microsoftu vedl divizi Quantum Hardware od roku 2014. „A tak jsme se dostali do tohoto bodu: díky kvalitě a dalším důležitým vlastnostem našich pokročilých materiálů tu máme úplně nový typ qubitu a vlastně i úplně novou architekturu.“

Topologické qubity využívají tzv. Majoranův fermion. Částice je pojmenovaná po svém teoretickém objeviteli, italském fyzikovi Ettore Majoranovi, který ji předpověděl v roce 1937. Krátce poté Majorana beze stopy zmizel během plavby lodí. Což poeticky koresponduje s částicí, která je po něm pojmenována. Majoranovy fermiony jsou totiž „anti-částicí sebe sama“. V běžném vesmíru se nevyskytují, ale za nesmírně extrémních teplot se je podařilo identifikovat v roce 2008.

O využití jevu Majoranových fermionů pro korekci chyb kvantových počítačů se mluvilo delší dobu. Ještě před rokem to ale nutně nevypadalo, že se sázka na Majoranovy topologické qubity Microsoftu vyplatila. Článek, který v roce 2018 publikovali výzkumníci Microsoftu ve spolupráci s univerzitními týmy, narazil na tvrdou kritiku. Naměřená data bylo údajně možné vysvětlit i mnohem prozaičtěji, než „novým kvantově topologickým jevem“. Článek byl po kritice napřed doplněn, pak v roce 2021 dokonce zcela stažen.

Ale v roce 2025 už byli výzkumníci úspěšnější. Jejich nový článek v Nature (z února 2025) ukázal, že koncept je prakticky použitelný. Nově otevřená laboratoř v dánském Lyngby navazuje právě na tento potvrzený – byť stále jen dílčí – úspěch topologického qubitu.

Na jejich čipu je zatím pouze 8 qubitů. Zástupci Microsoftu ale věří, že právě „jejich“ technologie jim dá náskok do třetí fáze kvantového dobrodružství. Tedy že jim usnadní škálování. Teoreticky by totiž stejná architektura mohla pojmout ne jen desítky, ale i statisíce qubitů.

To ale nebude hned. Zeptal jsem se výzkumníků z Microsoft Quantum, v jaké fázi vývoje teď podle nich jsme, kdybychom to přirovnali k nějaké technologii, kterou už známe. „Z mého pohledu jsme někde ve fázi vynálezu tranzistoru,“ odpověděl mi Chetan Nayak, ředitel Quantum Hardware. „Lidé samozřejmě s počítači pracovali předtím, než měli k dispozici tranzistory. Měli elektronky a dokázali s nimi hodně.“ Ale teprve tranzistor otevřel cestu ke škálování, zrychlování a miniaturizaci procesorů, jehož jsme svědky dodnes. „Na to, aby lidé zprovoznili první tranzistor, museli uplatnit hodně teoretických poznatků z fyziky,“ připomíná Nayak. „Prvních padesát let od objevu elektronu bylo z dnešního pohledu spíše pomalých, a pak se to najednou rozjelo. Za mne může podobným okamžikem být topologický qubit.“

Aby Microsoft mohl „rozjet“ tuto škálovací fázi ve velkém, potřeboval od univerzitního výzkumu pokročit do vlastní – s nikým nesdílené – laboratoře. Majorana částice jsou velmi citlivé a fungují pouze na dokonale čisté krystalické struktuře. Záleží prý doslova na každém atomu.

„Není to nejsnazší technologie,“ říká Lauri Sainiemi, viceprezident pro výrobu v Lyngby Quantum Lab. „Ale věříme, že s sebou přináší tak velké výhody pro to škálování, že nám tato cesta stojí za to.“

V praxi to znamená, že si Microsoft všechno vyrábí na míru pro své Majorana čipy. A to od samotného základu. Laboratoř pro výrobu opět musí zajistit, že se do procesu nebude „motat“ vesmír. Celá výroba se proto odehrává ve speciální vakuové komoře (probíhá zde například MBE – epitaxe z molekulárních svazků), který zvnějšku připomíná mimozemskou loď.

Materiálů se nesmí dotknout lidská ruka, protože takový dotyk by byl nepřesný. Proto je veškerá manipulace prováděna pomocí speciálních robotických podavačů: wafer během svého „pěstování“ nemusí opustit vakuový prostor.

Cílem je vytvořit „topologický vodič“, kombinaci extrémně čistých materiálů, na kterých je možné pracovat s topologickou supravodivostí díky Majoranovým kvantovým jevům. S těmito materiály následně pracují v oné superčisté místnosti (ta, ve které se nekýchá, ale pšoukání je povoleno) a následně putuje do superstudeného zlatého lustru. To vše v rámci dvou sousedících budov, do kterých byste to zvenku rozhodně neřekli.

Sotva šestimilionové Dánsko se dějištěm největšího kvantového projektu firmy Microsoft nestalo náhodou. Země je s kvantovou fyzikou spojená už od začátku 20. století, především díky fyzikovi Nielsu Bohrovi. Jeho jméno nese i institut (NBI), se kterým Microsoft spolupracoval na vývoji Majorana 1. Dánsko také s firmami jako Microsoft nebo Novo Nordisk pracuje na výrobě největšího evropského kvantového počítače v rámci centra QuNorth, a může si tak zřejmě nárokovat titul kvantové velmoci, minimálně v Evropě.

„Za jak dlouho se dočkáme užitečných kvantových počítačů? Říkáme, že to budou jednotky let, nikoli desítky,“ odpovídají nám pečlivě formulovanou frází zástupci firmy na nejčastější otázku. A celkem otevřeně přiznávají, že i další technologie mají své výhody. Jejich sázka na obskurní částici ale nevypadá tak bláhově, jako se to mohlo zdát ještě před několika lety.

Podle výzkumníků to pak může jít nečekaně rychle: vývoj kvantových počítačů je totiž přesně tím typem úkolu, u kterého se hodí mít po ruce funkční kvantový počítač. Stejně, jako se brýle špatně hledají bez brýlí, tak je současný vývoj kvantových počítačů těžší, než když budou mít vědci k dispozici stroj, který „kvantovým kouzlem“ najde správnou odpověď na první pokus.