Kvantová technologie

Počátky kvantových technologií sahají k prvním desetiletím 20. století, kdy fyzikové jako Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg a Erwin Schrödinger formulovali základní principy kvantové teorie. Tito vědci odhalili, že subatomární částice a energie se chovají způsobem, který se zásadně liší od našeho každodenního makroskopického světa popsaného klasickou fyzikou. Zjistili, že částice mohou existovat v superpozici stavů, projevovat vlnově-částicový dualismus a být kvantově provázané i na velké vzdálenosti.

Kvantová koherence

Zásadní koncept kvantových technologií představuje kvantová koherence. Jde o jev, při kterém kvantový systém existuje v superpozici více stavů současně. Tato superpozice je extrémně citlivá na jakékoliv rušení z okolního prostředí včetně tepelných fluktuací, elektromagnetického záření nebo vibrací. Proces, při kterém dochází ke ztrátě kvantové koherence, se nazývá dekoherence. Koherenční doba pak představuje charakteristický čas, za který amplituda kvantové superpozice klesne na přibližně 37 % své původní hodnoty.

V kontextu kvantových výpočtů je koherenční doba kritickým faktorem určujícím praktickou použitelnost kvantového systému. Aby bylo možné provést užitečný kvantový výpočet, musí být doba potřebná k provedení kvantových operací výrazně kratší než koherenční doba systému. V současných kvantových počítačích se koherenční doby pohybují typicky v řádu mikrosekund až milisekund v závislosti na použité technologii a kvalitě izolace od okolí.

Existuje několik strategií pro prodloužení koherenční doby. Základním přístupem je minimalizace interakce s okolím pomocí chlazení na velmi nízké teploty (blížící se absolutní nule, tedy –273,15 °C) a důkladného elektromagnetického stínění. Další metodou je využití kvantové korekce chyb, která umožňuje detekovat a opravovat chyby vzniklé dekoherencí. Pokročilý přístup využívá speciální kvantové stavy, které jsou přirozeně odolnější vůči určitým typům okolního rušení.

Prodlužování koherenčních dob je jedním z hlavních cílů současného výzkumu v oblasti kvantových technologií. S delšími koherenčními dobami by bylo možné provádět složitější kvantové výpočty a implementovat pokročilejší schémata kvantové korekce chyb. To by významně přiblížilo realizaci prakticky použitelného univerzálního kvantového počítače.

Využití kvantové mechaniky

Praktické aplikace kvantové mechaniky se začaly objevovat v polovině 20. století. První významný krok k využití kvantových jevů pro praktické účely představoval tranzistor, vynalezený v roce 1947. Také laser, vyvinutý v 60. letech 20. století, byl dalším příkladem technologie založené na kvantových principech, konkrétně na stimulované emisi fotonu. Právě tyto rané aplikace položily základy pro pozdější, sofistikovanější kvantové technologie.

V 80. a 90. letech 20. století začali vědci systematicky zkoumat možnosti manipulace s jednotlivými kvantovými systémy. Richard Feynman a David Deutsch navrhli myšlenku využití kvantových systémů pro výpočty, čímž položili teoretické základy pro kvantovou informatiku. Paralelně s tím probíhal výzkum v oblasti kvantové optiky, kvantové kryptografie a kvantové teleportace. V roce 1984 Charles Bennett a Gilles Brassard navrhli první protokol pro kvantovou distribuci klíče, což položilo základy kvantové kryptografie. V roce 1993 pak tým vědců vedený Antonem Zeilingerem experimentálně demonstroval kvantovou teleportaci, přenos kvantového stavu mezi vzdálenými částicemi.

Kvantové senzory

Přelom tisíciletí přinesl značný pokrok v oblasti praktické implementace kvantových technologií. Vědci vyvinuli metody pro přípravu, manipulaci a měření kvantových stavů s bezprecedentní přesností. Dosáhli významných úspěchů v oblasti kvantové optiky, supravodivých obvodů, zachycených iontů a kvantových teček. Tyto úspěchy vedly k vývoji prvních funkčních kvantových senzorů, které využívají kvantové vlastnosti k měření fyzikálních veličin s extrémní citlivostí.

Kvantové senzory představují důležitou součást kvantových technologií. Využívají kvantové jevy jako superpozici a provázanost k dosažení přesnosti a citlivosti, které překonávají klasické senzory. Příkladem jsou atomové hodiny, které se za miliardy let odchýlí o méně než sekundu. To je klíčové pro systémy jako GPS. Další oblastí jsou kvantové magnetometry, které dokážou detekovat extrémně slabá magnetická pole s prostorovým rozlišením na nanometrové úrovni. Tuto kvantovou technologii lze aplikovat v lékařské diagnostice, geologii nebo při výzkumu nových materiálů.

Kvantové materiály

Zajímavou oblastí kvantových technologií jsou také kvantové materiály, které vykazují unikátní vlastnosti vyplývající z kvantových jevů. Mezi ně patří vysokoteplotní supravodiče, topologické izolátory a materiály s nenulovým Weylowým bodem. Právě tyto materiály mohou v budoucnu způsobit revoluci v energetice, elektronice a materiálových vědách. Například supravodiče umožňují bezeztrátový přenos elektrické energie, což by mohlo vést k dramatickému snížení ztrát v přenosových sítích.

Kvantová komunikace 

Další významnou oblastí výzkumu a vývoje se v posledních letech stala kvantová komunikace. Kvantové komunikační systémy využívají kvantové provázání a další kvantové jevy k zajištění bezpečné komunikace. Kvantová distribuce klíče (QKD) umožňuje dvěma stranám sdílet šifrovací klíč s teoreticky dokonalou bezpečností zajištěnou základními fyzikálními zákony (na rozdíl od dnes běžně používané výpočetní složitosti). 

V roce 2016 vypustila Čína satelit Micius, který úspěšně demonstroval kvantovou distribuci klíče mezi vesmírem a Zemí na vzdálenost přes 1 200 kilometrů. Tento úspěch otevřel cestu k potenciálnímu globálnímu kvantovému internetu – tedy síti, která by umožnila bezpečnou komunikaci a distribuované kvantové výpočty po celém světě.

Kvantová metrologie

Kvantová metrologie využívá kvantové efekty k přesnému měření fyzikálních veličin. Kvantové standardy pro elektrický proud, napětí a odpor, založené na kvantových jevech jako Josephsonův a Hallův efekt, poskytují nejpřesnější dostupné referenční hodnoty pro tyto veličiny. Současný výzkum se zaměřuje na využití kvantově provázaných stavů k překonání takzvaného standardního kvantového limitu přesnosti, což by mohlo vést k extrémnímu zvýšení přesnosti měření v různých oblastech od gravitačních vln až po lékařské zobrazování.

Kvantová optika

V oblasti kvantové optiky dochází k významným pokrokům ve vývoji jednočásticových zdrojů fotonů a detektorů. Tyto technologie jsou zásadní pro kvantovou komunikaci a optické kvantové výpočty. Vědci vyvinuli vysoce efektivní zdroje provázaných fotonových párů a detektory schopné rozlišit jednotlivé fotony s více než 95% účinností. Díky tomu je možné zavádět stále složitější kvantové protokoly a provádět dříve technicky nerealizovatelné experimenty.

Kvantové simulace 

Kvantové simulátory jsou specializovaná zařízení navržená k modelování a studiu komplexních kvantových systémů, které jsou příliš složité pro klasické počítače. Na rozdíl od univerzálních kvantových počítačů jsou kvantové simulátory určeny k řešení specifických problémů v kvantové fyzice, chemii a materiálových vědách. S pomocí těchto simulátorů lze zásadně změnit způsob výzkumu nových materiálů, léků či chemických procesů, protože umožňují přesné modelování kvantových interakcí na molekulární úrovni.

Značný pokrok ve vývoji kvantových technologií vede i k většímu komerčnímu zájmu a dalším investicím. Společnosti jako IBM, Google, Microsoft či Amazon vyvíjejí vlastní kvantový hardware a poskytují přístup ke kvantovým výpočetním platformám prostřednictvím cloudu. Vznikají také start-upy zaměřené na různé aspekty kvantových technologií, od vývoje specializovaného hardwaru až po softwarové nástroje a aplikace. Do kvantového výzkumu investují rovněž státní organizace prostřednictvím iniciativ jako Quantum Flagship v EU nebo National Quantum Initiative v USA. Rozsáhlé výzkumné projekty probíhají také v Číně, Japonsku a dalších zemích.