Nové technologie založené na kvantové fyzice otevírají fascinující možnosti: superrychlé počítače, komunikace odolná proti odposlechu a ultracitlivé senzory. Stále více se k tomuto tématu obracejí IT firmy a start-upy a miliardové částky začíná investovat i veřejný sektor. Této oblasti vývoje bylo už i na letošním veletrhu HANNOVER MESSE 2024 věnováno celé jedno oddělení.

Po tzv. první kvantové revoluci, která již prakticky ukázala, že na kvantové fyzice (kvantových skocích) založené systémy jsou realizovatelné, tak inženýři i investoři očekávají druhou kvantovou revoluci. Ta má mít již potenciál reálného praktického použití a tak hluboce změnit nejen ekonomiku, ale i společnost jako celek. Očekávají se srovnatelné důsledky jako u technologických výdobytků po zrodu kvantové mechaniky, tedy jako u výpočetní techniky a internetu s využitím optických vláken a u digitalizace s využitím tranzistorů a laserových systémů. Průkopníci druhé kvantové revoluce sledují podobné cíle a chtějí vývojem obměnit celá průmyslová odvětví. Které kvantové technologické přístupy jsou aktuálně hlavně v centru pozornosti?

Oblast kvantových počítačů

Kvantové počítače využívají kvantové fyzikální jevy, jako je superpozice (superposition) a provázání stavů (entanglement), k řešení výpočetních úloh vysoce paralelním způsobem. To vede k mimořádným rychlostním výhodám, díky nimž jsou kvantové počítače mnohem výkonnější než jakýkoli klasický superpočítač, zejména pro některé specifické problémy. Namísto použití datových bitů s hodnotou 0 nebo 1 totiž kvantové počítače počítají s kvantovými bity, obvykle zkrácenými na qubity, které mají mnohem více co nabídnout. Jsou to atomové systémy v jakémsi pozastaveném stavu, které mohou současně reprezentovat stavy 0 i 1, stejně jako všechny hodnoty mezi nimi, analogické se Schrödingerovou kočkou ve slavném myšlenkovém experimentu, kterou lze považovat za zároveň mrtvou a živou dokud nezískáme jistotu detekcí jejího stavu. Zatímco PC s 10 bity dokáže zakódovat pouze jednu z 1024 hodnot, kvantový počítač s 10 qubity dokáže zpracovat všechny tyto hodnoty současně. Registr s 250 qubity by teoreticky měl být schopen uložit více čísel, než kolik je atomů ve vesmíru.

Praktická realizace hardwaru základních informačních jednotek kvantových počítačů je však stále ten zásadní problém. Průkopníci technologie kvantových počítačů se v tomto směru ubírají různými cestami. Společnosti jako Google, IBM, Intel a kanadská společnost D-Wave například používají k realizaci qubitů hluboce zmrazené supravodivé proudové smyčky. Naproti tomu kvantoví výzkumníci z univerzity v Innsbrucku používají plovoucí atomy, se kterými manipulují laserovým světlem. Společnost Microsoft pak například spoléhá na umělé atomy v polovodičových čipech.

To, který přístup k realizaci hardwaru kvantových počítačů zvítězí, zatím není rozhodnuto a bude asi zejména záležet především na tom, jak snadno a dobře bude možné danou technologii aplikovat, kolika qubitové procesory s její pomocí vytvářet (jak snadné bude škálování) a jak složité bude takové procesory provozovat v reálném prostředí mimo vysoce specializované laboratoře. Současné kvantové procesory s desítkami qubitů totiž ještě nejsou připraveny na reálná praktická použití. Podle odborníků jsou pro průlomovou kvantovou technologii potřeba procesory s alespoň mnoha stovkami až tisíci qubitů. Nicméně škálování postupuje rychle a kvantové počítače by mohly překonat konvenční elektronické systémy do deseti let.

Oblast kvantové komunikace

Kvantová fyzika také slouží jako základ pro komunikační kanály absolutně odolné proti odposlechu. Komerční kvantové kryptografické systémy (quantum cryptography systems), které banky, úřady, společnosti a tajné služby využívají k výměně důvěrných informací, jsou realitou již zhruba 15 let. Výzkumníci na mnoha místech v současné době pracují na vytvoření regionálních kvantových sítí pro bezpečnou komunikaci a propojení budoucích kvantových počítačů.

Za globálního průkopníka v této oblasti je považována Čína, kde byla v roce 2017 uvedena do provozu 2000 kilometrů dlouhá optická síť pro kvantovou kryptografii. Čína je také lídrem v oblasti satelitní kvantové komunikace. V roce 2017 přenesl čínský kvantový satelit Micius první světovou kvantovou kryptograficky zabezpečenou videokonferenci mezi Pekingem a Vídní.

Základní již použitelný princip kvantové kryptografie.

Potenciál kvantové komunikace se rychle ukázal v podobě tzv. globálního kvantového internetu využívajícího takzvané kvantové opakovače, který umožňuje posílat kvantově zabezpečené informace v optických kabelech na velké vzdálenosti. Odborníci považují kvantové opakovače za "svatý grál" kvantové komunikace. Jejich vývoj jde intenzivně kupředu a je také financován z evropských veřejných prostředků.

Oblast kvantových senzorů

Oblast kvantových senzorů je pak po oblasti kvantové kryptografie a komunikace další aktuálně nejbližší pro "běžné" použití / nasazení tam, kde to bude účelné a efektivní. Již v dřívějších článcích Novinka od Q.ANT - kvantový magnetický senzor a Živá ukázka kvantových senzorů na Hannover Messe 2022 jsme o takových technologiích informovali.

Kvantové systémy použité pro technologii měření na atomové úrovni tak mnozí odborníci považují za skutečnou hnací sílu druhé kvantové revoluce, protože se zdá, že opravdu v dohledné době otevírá nové možnosti praktického použití. Pomocí kvantových efektů lze realizovat vysoce citlivé senzory, které registrují magnetická a gravitační pole přesněji než kdykoli předtím. Například se vyvíjejí také hodinky, které jsou ještě přesnější než nejlepší atomové hodiny. Tím by se mimo jiné by mohla výrazně zvýšit přesnost družicových navigačních systémů.

Závěr

Jaké konkrétní aplikace jsou tedy již dnes dostupné či budou dostupné v blízké budoucnosti? Několik kvantových technologií druhé generace je již komerčně dostupných a u mnoha dalších pak experti očekávají, že proniknou na trh v příštích deseti letech. Připravuje se na to řada firem, jako jsou automobilky BMW a Volkswagen, které již začaly zkoumat možné oblasti použití budoucích kvantových počítačů a vyvíjet první kvantové algoritmy, které běžely na prvních primitivních kvantových procesorech. V tomto směru a pro tyto potřeby jsou již v současně době dostupné i různé simulační / emulační systémy umožňující vyvíjet a testovat možnosti kvantových algoritmů a jejich možné použití v reálných aplikacích i bez nutnosti přímého použití kvantového počítače - viz například článek Emulace kvantového strojového učení a jeho využití

Sice v současné době tyto testovací postupy zatím firmám nepřinášejí žádné výrazné skutečné výhody, ale potenciál je zjevně obrovský. Podle odborníků by kvantové počítače mohly během následujícího desetiletí poskytnout rozhodující výhody, zejména v oblasti exponenciálně se chovajících optimalizačních úloh v průmyslové výrobě a logistice. Kvantové počítače by také mohly poskytnout nové dimenze prostředků pro simulace nových složitých struktur materiálů a chemických procesů, například při vývoji výkonnějších baterií nebo palivových článků, stejně jako při analýze rizik a strojovém učení.

Odkazy:

• Článek ne webu HANNOVER MESSE: https://www.hannovermesse.de/en/news/news-articles/quantum-leaps-lead-from-hanover-to-the-future