Budúcnosť je kvantová
(Vyhlásenie Slovenskej národnej výskumnej platformy kvantových technológií qute.sk)
Na konci 19. storočia sa zdalo, že všetky podstatné fyzikálne zákonitosti nášho sveta už sú objavené. S rozvojom technológií a nových experimentov sa však začali objavovať pozorovania, pri ktorých vtedajšie fyzikálne teórie nefungovali. Teória elektromagnetizmu napríklad predpovedala, že (vtedy čerstvo objavené) elektróny obiehajúce okolo jadra atómu musia žiariť a atóm by mal prakticky okamžite skolabovať. Hoci takáto predpoveď okamžitého kolapsu všetkej hmoty bola zjavný nezmysel, všetky pokusy o revíziu elektromagnetizmu zlyhali. Namiesto toho sa ukázalo, že nové pozorovania rozvrátili azda najslávnejšiu teóriu všetkých čias - Newtonovskú mechaniku. Po štvrť tisícročí sa skončila jej dominancia vo vysvetľovaní sveta. Táto vedecká revolúcia nás naučila nielen to, že svet je kvantový, ale aj, že je v ňom stále, čo objavovať. Zrodila sa kvantová fyzika.
Dnes je kvantová fyzika je alfou a omegou súčasnej vedy. Veríme, že dokáže vysvetliť (s výnimkou gravitácie) prakticky všetky vlastnosti hmoty, ktoré okolo seba vidíme: fyzikálne, chemické a pravdepodobne aj biologické. Naše chápanie supravodivosti olova, funkcie polovodičového transitora, spektrálnych čiar vo svetle zo Slnka, alebo chemickej štruktúry DNA, je postavené na pojmoch z kvantovej fyziky. Napriek jej obrovským úspechom, kvantová fyzika zahŕňa istý paradox: hoci nie je príliš zložitá, je silne neintuitívna. Jej základom sú pojmy ako kvantová interferencia a kvantová nelokálnosť, ktoré prenesené do bežného sveta vyzerajú čudne. Tieto podivnosti iniciovali obrovské množstvo testov. Kvantová mechanika vo všetkých obstála a stala sa asi najdôkladnejšie preverenou teóriou akú poznáme. Vedľajším produktom jej testovania bol aj pokrok v chápaní, ako by sa zvláštne kvantové zákony dali využiť. Zariadenia, ktorých fungovanie je priamo postavené na osobitom správaní kvantových systémov, sa volajú kvantové technológie.
Hoci technológie ako je laser, LED diódy, solárne články, alebo počítačové čipy, by bez kvantovej fyziky nefungovali, skutočný potenciál kvantových technológií bol objavený až v 80-tych a 90-tych rokov minulého storočia. Objavy v teórii algoritmickej zložitosti kvantových počítačov, bezpečnosti komunikácie pomocou kvantových bitov, a iných oblastiach, ukázali, že ak dokážeme zariadenia kontrolovať na individuálnej kvantovej úrovni, tak môžu dosiahnuť výkon, ktorý je neporovnateľný s ich klasickými náprotivkami. Ich využitie sľubuje kvalitatívny skok napríklad v medicínskej diagnostike, vo vývoji materiálov a zelenej energii, v metrológii a navigácii, umelej inteligencii, bezpečnej komunikácií a internete, a inde. Súdiac podľa rýchlosti akou napreduje ich výskum v súčasnosti sa očakáva, že kvantové javy sa stanú základom budúcich kvantových technológií a tzv. druhej kvantovej revolúcie. Pripravenosť zvládnuť a vyvíjať kvantové technológie bude v blízkej budúcnosti rozhodovať o ekonomickom úspechu danej krajiny v 21. storočí.
EURÓPSKA KVANTOVÁ STRATÉGIA
Európska vedecká komunita zareagovala na nástup kvantových technológií vytvorením strategického dokumentu Quantum Manifesto. Vychádza z presvedčenia, že kvantové technológie sú kľúčové pre zachovanie konkurencieschopnosti inovatívneho európskeho priemyslu a národnej bezpečnosti. Už dnes je možné komerčne kúpiť kvantový simulátor od kanadskej spoločnosti D-wave systems (spoluautorom súvisiaceho patentu tejto spoločnosti je Prof. Grajcar z FMFI UK a FÚ SAV). Na trhu je tiež dostupný kvantový generátor náhodných čísel a kvantový distribútor šifrovacích kľúčov, napr. od švajčiarskej firmy ID Quantique.
Európska komisia v očakávaní ďalšieho progresu v kvantových technológiách, ktorý by umožnil druhú priemyslenú kvantovú revolúciu, vyhlásila iniciatívu Quantum Technology Flagship, ktorý má udržať EÚ na popredných pozíciách v oblasti kvantových technológií v celosvetovom meradle. Plánovaná investícia vo výške 1 miliardy eur na 10 rokov je reakciou na čelné postavenie európskeho výskumu v oblasti kvantových technológií, nedávnych investícií v Číne, Japonsku, USA, Kanade, Austrálii, Veľkej Británii, a relatívne mohutným vstupom firiem ako Microsoft, Google, alebo IBM. Iniciatíva má za cieľ zachytiť tento trend, a udržať Európu na čele druhej kvantovej revolúcie. Jednak v oblasti výskumu, ale aj vytvoriť podmienky pre transformáciu technológií do priemyslu a spoločnosti. Dlhodobým cieľom je vybudovať vedomostnú ekonomiku, ktorá vytvorí nové priemyselné odvetvia s dlhotrvajúcim ekonomickým a spoločenským prínosom. Iniciatívu v kvantovom výskume a technológiách preberajú aj jednotlivé členské štáty pomocou špecializovaných národných programov. Napríklad Nemecko vyčlenilo pol miliardy eur, Dánsko a Holandsko po 300 miliónov eur, a susedné Maďarsko 10 miliónov eur, a iné sa k tomuto trendu pripájajú. Myslíme si, že je v strategickom záujme Slovenska sa ku medzinárodnej kvantovej iniciatíve pripojiť.
KVANTOVÉ SLOVENSKO
Na Slovensku dnes existujú perspektívne výskumné tímy pracujúce v oblasti kvantových technológií, ktorých lídri dosiahli a dosahujú výsledky excelentné aj na svetovej úrovni. Priekopníkom výskumu v oblasti kvantového spracovania informácie je prof. Bužek z Fyzikálneho ústavu SAV, ktorý už v 90-tych rokoch založil výskumnú skupinu, v súčasnosti Centrum pre výskum kvantovej informácie, ktoré sa venuje prakticky všetkým teoretickým aspektom kvantových technológií. Podieľa sa napríklad na rozvoji viacužívateľských komunikačných kryptografických protokolov na zdieľanie kvantového tajomstva a kvantového anonymného hlasovania, na analýze zložitosti kvantových algoritmov, na vývoji efektívnych algoritmov pre simulácie kvantových systémov. V laboratóriu kvantových meraní na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK (s technologickou podporou Elektrotechnického ústavu SAV) sa realizujú kvantové bity na báze tzv. supravodivých qubitov. Centrum fyziky nízkych teplôt (spoločné pracovisko Prírodovedeckej fakulty UPJŠ a Ústavu experimentálnej fyziky SAV) v Košiciach má dlhoročnú expertízu vo fyzike nízkych teplôt a súvisiacom materiálovom výskume. Tieto systémy majú potenciál realizovať škálovateľné kvantové bity. Na Matematickom ústave SAV má výskum a modelovanie kvantových štruktúr viac ako 40 ročnú históriu a dnes nachádza aplikácie v kvantovom spracovaní informácie. Výskumníci na Fakulte elektrotechniky a informatiky STU sa orientujú na tzv. postkvantovú kryptografiu, t.j. klasickým šifrovacím algoritmom, ktoré by boli odolné aj voči kvantovým útokom.
Tieto popredné slovenské výskumné tímy a inštitúcie majú jasnú dlhodobú strategickú víziu výskumu a vývoja kvantových technológií na Slovensku. Akčný plán platformy qute.sk popisuje ako na Slovensku vytvoriť kreatívne a inovatívne prostredie pre výskum a vývoj kvantových aplikácií a výchovu novej generácie expertov. Platforma disponuje ľudským a technickým kapitálom, ako aj množstvom skúseností z predchádzjúcich a existujúcich európskych projektov, aby tento akčný plán úspešne naplnila. V kontexte existujúcich štátnych investícií vo vyspelých krajinách sme presvedčení, že udržanie a najmä rozvoj Slovenského výskumného potenciálu a excelentnosti v tejto oblasti vyžaduje konkurencieschopnú národnú podporu. Na dosiahnutie predložených cieľov platforma navrhuje vytvoriť pilotný program podpory excelentného výskumu a vyčleniť na úspešnú implementáciu akčného plánu 8,725 miliónov eur v nasledujúcich 5 rokoch. Z pohľadu ekonomického a spoločenského prínosu ide o investíciu, ktorú si moderná a úspešná krajina budujúca vedomostnú a udržateľnú ekonomiku musí byť schopná dovoliť.
(Autori: Mário Ziman, Miroslav Grajcar, Tomáš Samuely, Martin Gmitra, Peter Staňo)