Kvantové previazanie: Od bizarného a dlho nepochopeného kvantového fenoménu ku kľúčovej technológii 21. storočia

Úvodom len veľmi stručne čo je kvantové previazanie: V kvantovej fyzike hovoríme o previazaní vtedy, keď zložený fyzikálny systém, napr. systém s niekoľkými časticami, vnímaný ako celok, nadobúda presne definovaný stav bez toho, aby mohol byť každému z podsystémov priradený vlastný presne definovaný stav.

V roku 1981 predniesol slávny teoretický fyzik Richard Feynman fascinujú odbornú prednášku, renomovanými fyzikmi po celom svete mimoriadne uznávanú, v ktorej rozvinul myšlienku, ktorá dodnes drží fyzikov a inžinierov v napätí.

Vo svojej fyzikálnej vízii predstavil úplne nový druh počítača, vďaka ktorému by dnešné vysokovýkonné počítače vyzerali ako Commodore 64 zo začiatku 80. rokov: „Kvantový počítač“.

Princípom takéhoto počítača je pravdepodobne najmysterióznejší jav v kvantovom svete, ktorý zakladateľom kvantovej teórie spôsobil veľa bolestí hlavy:

A tým je tajuplné previazanie kvantových častíc.

Vtedy to bol len odvážny nápad vizionárskeho fyzika. Feynmanova idea teraz o niekoľko desaťročí ale poháňa veľké množstvo fyzikov a inžinierov a s nimi aj miliardárov investorov, ktorí už teraz tušia ďalšiu technologickú revolúciu so značným ziskovým potenciálom.

Všetko naznačuje tomu, že kvantové počítače zahája novú éru v spracovaní údajov.

Mohli by formovať 21. storočie v podstate rovnakým spôsobom, akým vývoj digitálnych obvodov formoval 20. storočie. Nie je to však len kvantový počítač, ktorý už niekoľko rokov rozbúchava srdcia fyzikov a inžinierov. Od začiatku roku 2000 sa už objavuje nová kvantová revolúcia. Už má aj názov: Quantum 2.0.

Kvantová teória je bezpochyby najvplyvnejšou teóriou 20. storočia. Množstvo technológií založených na kvantovej fyzike sa dnes stalo neoddeliteľnou súčasťou nášho každodenného života:

Elektronické súčiastky a integrované obvody na polovodičových čipoch, lasery, elektrónové mikroskopy, LED svetlo, špeciálne vlastnosti v tuhom stave, ako sú supravodivosť, špeciálne chemické zlúčeniny alebo dokonca zobrazovanie magnetickou rezonanciou. A v neposlednom rade sú aj jadrové technológie založené na zákonitostiach kvantového sveta. Úplne prvou technickou aplikáciou kvantovej teórie bola najstrašnejšia zbraň, aká bola kedy vojensky použitá: Atómová bomba.

Všetky dnešné kvantové technológie majú jedno spoločné: Sú založené na vlastnostiach veľkých súborov kvantových častíc a na možnostiach ich riadenia:

Riadenie toku mnohých elektrónov, cielená excitácia veľkého počtu fotónov, meranie jadrového spinu masívnych atómov. Príklady zahŕňajú o.i. tunelový efekt v tranzistoroch, koherenciu fotónov v laseroch, spinové vlastnosti mnohých atómov pri zobrazovaní magnetickou rezonanciou alebo kvantové skoky v atómových hodinách.

V roku 2016 podpísalo 3 400 vedcov tzv. Kvantový manifest, výzvu na podporu koordinácie medzi akademickou obcou a priemyslom pri výskume a vývoji nových kvantových technológií v Európe.

V ňom je nasledovné o.i.:

„Európa teraz potrebuje strategické investície, aby mohla realizovaťť druhú kvantovú revolúciu. Na základe svojej vysokej vedeckej kompetentnosti má Európa príležitosť vytvoriť konkurencieschopný priemysel pre dlhodobú prosperitu a bezpečnosť.“

Politika túto výzvu prijala a zvolila tento prístup:

Európska komisia sa rozhodla financovať vlajkový projekt výskumu kvantových technológií jednou miliardou eur počas nasledujúcich desiatich rokov. To je veľa peňazí pre chronicky slabé rozpočty európskych krajín. Projekt sa zameriava na štyri kvantové technológie:

Komunikáciu, výpočtovú techniku, senzory a simulácie. Konkrétne nové technológie, ktoré by z toho mohli vzniknúť, sú:

Bezpečná komunikácia prostredníctvom kvantovej kryptológie: Vlastnosti previazaných kvantových častíc umožňujú vytvárať absolútne bezpečné šifrovanie.

Kvantový prenos informácií: Zahŕňa schopnosť prenášať kvantové informácie (qubity) na veľké priestorové vzdialenosti, často označované ako „kvantová teleportácia“. To by mohlo pripraviť cestu ku kvantovému internetu.

Vysoko citlivé kvantové senzory: Previazané kvantové stavy umožňujú oveľa presnejšie merania rôznych fyzikálnych premenných ako je čas, gravitačné sily alebo elektromagnetické polia. Základom je extrémna citlivosť previazaných kvantov na vonkajšie vplyvy.

Replikácia biologických systémov, napríklad pri výrobe umelého listu na premenu energie prostredníctvom fotosyntézy, v ktorej zohrávajú dôležitú úlohu kvantové efekty.

A nakoniec konečný cieľ: nová éra výpočtovej techniky s vývojom kvantového počítača.