Pozrite si
Preteky v „kvantovom zbrojení“ sú v plnom prúde, aj keď skutočné prakticky využiteľné výstupy sú menej zreteľné. Zvládnutie kvantových komunikačných, kryptovacích a výpočtových technológií prinesie krajinám nielen ekonomické, ale aj strategicko-bezpečnostné výhody.
Nakoniec, pri najvýkonnejších počítačových a komunikačných systémoch to nikdy nebolo inak. Európa má za sebou bohatú históriu inovácií v oblasti kvantovej fyziky, ale za posledné roky začala za svojimi globálnymi konkurentmi zaostávať.
Aj to bolo dôvodom, prečo sa Európska komisia v roku 2016 rozhodla investovať miliardu eur do výskumného úsilia známeho ako Quantum Technology Flagship (Vlajková loď kvantovej technológie).
Cieľom tohto projektu je rozvinúť štyri technológie: kvantovú komunikáciu, kvantovú simuláciu, kvantové výpočty a kvantové snímanie. Zhruba po jeden a pol roku už môžeme opatrne bilancovať, prípadne aktualizovať zámery – vďaka 150-stranovej „cestovnej mape“ o európskych kvantových technológiách. European Quantum Technologies Roadmap je aktualizovanou verziou dokumentu, ktorý stanovuje ciele projektu v nasledujúcich 10 rokoch.
Komunikácia a počítače ako základ
Cestovná mapa popisuje okrem pôvodných štyroch kategórií aj ďalšie dve oblasti – kvantový softvér a kvantové ovládanie. Tie by mohli mať významný vplyv na budúcnosť európskych kvantových technológií.
Prvá z pôvodných štyroch preferencií, kvantová komunikácia, ponúka možnosť odosielať dáta z jedného miesta do druhého 100% bezpečne, čo garantujú zákony fyziky. To sa stáva čoraz dôležitejšie, pretože iná technológia – kvantová výpočtová technika – čoskoro dokáže prelomiť dnes bežne používané šifrovanie.
Na bezpečnej komunikácii dnes stojí množstvo pilierov modernej spoločnosti, vrátane finančných transakcií a digitálnej výmeny dát medzi občanmi, úradmi a firmami. S rozvojom internetu vecí sa môže bezpečnostná situácia v oblasti komunikácie dramaticky zhoršiť.
Kvantová komunikácia tak môže zaručiť bezpečnosť fungovania obchodných, vládnych, aj vojenských komunikácií. Jej problémom je však cena a dosah.
V nasledujúcich troch rokoch možno očakávať vývoj nezávislých systémov kvantovej komunikácie na metropolitných úrovniach, ktoré sa zamerajú na nízke náklady pri zavádzaní, vysoké prenosové rýchlosti (nad 10 Mbit/s) a multiplexovanie, uvádza sa v cestovnej mape.
Ďalší problém – kvantová komunikácia funguje len na vzdialenosť cca 100 km – by mali odstrániť kvantové smerovače. Objaviť by sa mali do šiestich rokov a stanú sa základom rozsiahlej infraštruktúry kvantovej komunikácie.
Ďalšou oblasťou sú kvantové počítače, ktoré využívajú kvantové procesy na vytvorenie obrovského výkonu spracovania dát. Sú k dispozícii už pár rokov, ale pracujú len s niekoľko málo kvantovými bitmi (qubitmi). Výzvou je dnes vytvorenie kvantových počítačov na úrovni 100 qubitov, alebo viac.
Dokument naznačuje viacero možných ciest, ako to dosiahnuť pomocou systémov, ktoré ukladajú a spracúvajú kvantové informácie rôznymi spôsobmi. Tieto zahŕňajú ukladanie informácií do iónov zachytených v magnetickom poli, alebo v atómových jadrách vložených do kremíka alebo uhlíka, do prúdových tokov v malých supravodivých obvodoch, alebo do fotónov prechádzajúcich fotonickými obvodmi.
EK očakáva rozsiahle kvantové spracovanie s použitím jednej alebo viacerých z týchto technológií v priebehu piatich až desiatich rokov.
Simulácia a ovládanie bude dôležité
Kvantová simulácia je treťou kľúčovou oblasťou, ktorú EÚ podporuje. Simulácia komplexných kvantových vlastností na bežnom počítači je takmer nemožná. Ale kvantové systémy môžu byť vytvorené na viac či menej dokonalú simuláciu aspektov iných kvantových systémov.
Základnou myšlienkou je nájsť kvantový systém, ktorý je dobre pochopený a ľahko manipulovateľný a merateľný, a potom ho použiť na simuláciu systému, ktorý je ťažké manipulovať a merať.
Dobre zrozumiteľné systémy zahŕňajú ultra-chladné atómy a molekuly, ióny zachytené v magnetických poliach a supravodivé obvody. Komplexnejšie systémy, ktoré chcú fyzici chápať, sa vyskytujú vo vysokoenergetickej fyzike, v kozmológii, v štatistickej fyzike, ale aj v biológii.
Ukazuje sa totiž, že v živých organizmoch (ortodoxní páni profesori, pozor!) kvantové procesy zohrávajú úlohu pri prenose energie. Sľubné je, že kvantová simulácia môže poskytnúť prehľad o všetkých týchto oblastiach.
Existujú však významné výzvy, vrátane hľadania dôkazov, že systém vykonal simuláciu správne. Méty na nasledujúce desaťročie nie sú v tejto oblasti úplne jasné.
Štvrtou oblasťou záujmu je kvantové snímanie a metrológia. Ak chceme využiť kvantový svet, musíme ho merať a „cítiť“. To znamená meranie vesmíru v mierke atómov a fotónov v primerane krátkych časových intervaloch.
Fyzici už dnes na to majú široké spektrum nástrojov, ale všetky potrebujú vylepšenie. Preto musia byť kvantové hodiny presnejšie, atómové senzory musia byť citlivejšie a optomechanické snímače musia byť schopnejšie.
Softvér je výzvou
Cestovná mapa končí diskusiou o dvoch nových oblastiach záujmu. Prvým je kvantové ovládanie: schopnosť manipulovať s kvantovými systémami pomocou externých elektromagnetických polí alebo síl. Cieľom kvantového ovládania je navrhnúť a využiť tvary impulzov vonkajších polí alebo sekvencií takých impulzov, ktoré dosiahnu danú úlohu v kvantovom systéme najlepším možným spôsobom, hovorí sa v dokumente.
Očakáva sa, že tento druh presného ovládania kvantových systémov okrem iného umožní rozsiahle kvantové výpočty a simuláciu.
Druhou z týchto nových oblastí je vývoj kvantového softvéru. Ten sa tvorí oveľa ťažšie ako obyčajný softvér, pretože qubity môžu existovať súčasne ako „0“, aj „1“. To znamená, že niekoľko qubitov môže vykonať mnoho výpočtov paralelne. Preto sú kvantové počítače také silné. Odčítanie odpovede z týchto výpočtov je však ťažké, čo robí kvantové algoritmy nesmierne krehké.
Kvantové algoritmy môžu potenciálne dramaticky prekonať klasické výpočty, ale vytvorenie skutočných algoritmov, ktoré to dokážu, je zložité. Tento softvér bude musieť pracovať v rozsahu počítačov, aj celých sietí. Pokrok v tejto oblasti môže poskytnúť Európskej únii konkurenčnú výhodu voči krajinám, ktoré sú dnes dobré v oblasti vývoja hardvéru kvantových počítačov.
Otázkou je, ako chce EÚ dosiahnuť svoje kľúčové postavenie, keď doteraz vo vývoji kvantových technológií úzko spolupracuje s firmami ako IBM, Google, alebo Microsoft. Tie sa však venujú vlastnému výskumu kvantových technológií a z veľkej časti v USA.
Zdroj