KVANTOVÉ TECHNOLOGIE

Kvantová revoluce: Úsvit nové technologické éry

Autor:

Josef Lazar

Slova Richarda Feynmana dokonale vystihují fascinující a často kontraintuitivní povahu kvantové mechaniky. Tento svět, kde částice mohou existovat ve více stavech najednou (superpozice), jsou záhadně propojeny na obrovské vzdálenosti (provázanost) a mohou procházet zdánlivě nepřekonatelnými bariérami, byl dlouho doménou teoretických fyziků. Dnes se však nacházíme na prahu epochální změny. Díky bouřlivému technologickému pokroku posledních desetiletí přestávají být tyto „podivnosti“ pouhými teoretickými koncepty a stávají se základními stavebními kameny nové generace technologií. Prožíváme druhou kvantovou revoluci, která má potenciál přetvořit naši společnost stejně hluboce jako předchozí průmyslové revoluce.

Zatímco první kvantová revoluce, jež započala s příchodem 20. století, nám dala technologie založené na statistickém chování velkého množství kvantových částic – tranzistory, lasery, polovodiče a jadernou energii – ta druhá jde o krok dál. Jejím jádrem je schopnost precizně manipulovat s jednotlivými kvantovými systémy – atomy, fotony či jinými částicemi – a ovládat je. Nejde již o pouhé využití hromadných kvantových jevů, ale o jejich cílené řízení. Tato bezprecedentní kontrola nad základními stavebními kameny reality otevírá dveře ke třem klíčovým oblastem: kvantovému počítání, kvantové komunikaci a kvantovým senzorům. Tyto pilíře společně tvoří základ toho, co mnozí označují za čtvrtou průmyslovou revoluci, a slibují zásadní průlomy v informatice, bezpečnosti, medicíně i v našem fundamentálním poznání vesmíru. Rok 2025, vyhlášený OSN jako Mezinárodní rok kvantové vědy a technologie, symbolicky podtrhuje význam tohoto přechodu z laboratoří do reálného světa, kdy slavíme 100 let od položení základů kvantové mechaniky.

Svatý grál kvantových technologií: Kvantový počítač

Nejambicióznějším cílem druhé kvantové revoluce je bezesporu sestrojení univerzálního kvantového počítače. Na rozdíl od klasických počítačů, které ukládají informace v bitech jako 0 nebo 1, kvantové počítače využívají qubity. Díky principu superpozice může qubit reprezentovat 0, 1 nebo obě hodnoty současně, a to až do okamžiku měření. Tato zdánlivě malá odlišnost má ohromující důsledky. Výpočetní výkon kvantového počítače neroste lineárně, ale exponenciálně s každým přidaným qubitem. Počítač s několika stovkami qubitů by teoreticky mohl provádět současně více operací, než kolik je atomů v pozorovatelném vesmíru.

Tato masivní paralelnost neudělá z kvantových počítačů náhradu našich notebooků a smartphonů. Jejich síla spočívá v řešení specifických, exponenciálně složitých úloh, které jsou pro klasické superpočítače navždy nedosažitelné. Mezi klíčové aplikace patří:

• Materiálové vědy a farmacie: Simulace chování molekul s dokonalou přesností, což dramaticky urychlí vývoj nových léků, účinnějších baterií nebo supravodivých materiálů.
• Optimalizace a logistika: Řešení komplexních logistických problémů, optimalizace finančních portfolií nebo zdokonalování modelů strojového učení.
• Prolomení šifrování: Úlohy jako faktorizace velkých čísel, která je základem současného zabezpečení internetu (např. RSA), by kvantový počítač vyřešil v řádu hodin, nikoli tisíců let.

Cesta k tomuto cíli je však plná technických výzev. Qubity jsou extrémně citlivé na jakékoli rušení z okolí, které způsobuje ztrátu jejich křehkého kvantového stavu (tzv. dekoherenci) a vede k chybám ve výpočtu. Výzkumníci po celém světě experimentují s různými fyzikálními realizacemi qubitů – od zachycených iontů přes supravodivé obvody až po fotonické čipy – a vyvíjejí sofistikované kódy pro opravu chyb. Dosažení tzv. kvantové nadřazenosti, tedy bodu, kdy kvantový počítač prokazatelně vyřeší úlohu, kterou žádný klasický počítač nezvládne v rozumném čase, je milníkem, k němuž se vědecká komunita neustále přibližuje. V rámci Evropy se buduje distribuovaná infrastruktura EuroQCS, která integruje kvantové procesory do stávajících superpočítačových center, přičemž jedno z deseti evropských hostitelských center je IT4Innovations v Ostravě, které navíc bylo již druhé v pořadí instalací.

Cesta ke konstrukci plnohodnotného, vůči chybám odolného kvantového počítače není jediná a jednoznačně daná. Naopak, připomíná spíše bouřlivý a fascinující závod s mnoha účastníky, kde se neúprosně soutěží nejen mezi firmami a národy, ale také mezi samotnými fundamentálními fyzikálními přístupy k realizaci qubitů. Tento globální souboj, někdy přirovnávaný k nové „studené válce“ v technologiích, je hnán obrovskými investicemi, které v roce 2023 celosvětově dosáhly 42 miliard dolarů, přičemž v čele stojí Čína s více než 15 miliardami veřejných prostředků, Evropa s 8 miliardami je druhá, a to nehovoříme o soukromých výdajích, kde dominují americké korporáty, jako IBM, Google a Microsoft.

Srdcem každého kvantového počítače je qubit a jeho fyzická implementace zásadně určuje vlastnosti, výhody i nevýhody celého systému. V současnosti neexistuje jediná vítězná technologie; místo toho probíhá intenzivní výzkum a vývoj na několika frontách, přičemž každá platforma čelí svým unikátním výzvám.

• Supravodivé qubity: Tuto cestu si zvolily giganti jako Google a IBM a je v současnosti jednou z nejrozvinutějších. Tuto cestu zvolil i finský IQM, odkud pochází i ostravský kvantový počítač VLQ. Qubity jsou tvořeny miniaturními supravodivými obvody na čipu, které musí být chlazeny na teploty blízké absolutní nule (řádově milikelviny), aby se potlačil tepelný šum. Výhodou je vysoká rychlost provádění operací (kvantových hradel) a škálovatelnost, tedy možnost vyrábět čipy s relativně velkým počtem qubitů pomocí zavedených polovodičových technik. Nevýhodou je jejich nízká koherence – qubity si udrží svůj kvantový stav jen po velmi krátkou dobu (mikrosekundy) – a vysoká citlivost na rušení, což vyžaduje komplexní kryogenní infrastrukturu.
• Qubity v iontových pastech: Tento přístup, na kterém pracují firmy jako IonQ nebo Alpine Quantum Technologies (AQT), využívá jednotlivé ionizované atomy, které jsou zachyceny v elektromagnetických pastech ve vakuu. Qubity jsou reprezentovány stabilními energetickými hladinami těchto iontů. Jejich obrovskou výhodou je prakticky dokonalá identičnost (všechny ionty stejného prvku jsou stejné) a mimořádně dlouhá doba koherence, díky optickému zchlazení na úroveň mikrokelvinů a dokonalé izolaci od okolního prostředí. To umožňuje provádět operace s velmi nízkou chybovostí. Nevýhodou je nižší rychlost operací ve srovnání se supravodivými qubity a větší technická náročnost při škálování na velké množství qubitů v jednom registru.
• Fotonické qubity: Zde jsou informace kódovány do vlastností jednotlivých fotonů, například do jejich polarizace. Velkou výhodou fotonů je jejich odolnost vůči dekoherenci, protože slabě interagují s okolím, a schopnost pracovat za pokojové teploty. To je činí ideálními pro kvantovou komunikaci. V oblasti kvantového počítání je však obtížné přimět dva fotony k vzájemné interakci a škálování na univerzální počítač je velkou výzvou. Na této platformě dosáhli významných úspěchů čínští vědci, například tým Jian-Wei Pana, bývalého postdoktoranda Antona Zeilingera.

Další slibné cesty: Výzkum se ubírá i dalšími směry. Patří sem například qubity založené na neutrálních atomech v optických pastech, které kombinují některé výhody iontových pastí a supravodivých systémů, nebo topologické qubity, na kterých intenzivně pracuje Microsoft. Nicméně je značně nejisté, zda se jedná opravdu o cestu vedoucí k cíli. Tyto qubity by měly být z principu odolné vůči lokálním chybám, protože informace je v nich uložena naráz v celém systému, nikoli v jedné částici. Jejich experimentální realizace je však zatím v rané fázi.

Závod o funkční kvantový počítač se neodehrává jen v akademických laboratořích. Stále více jej definují obrovské investice technologických gigantů (typicky ve Spojených státech) a agilních start-upů (převážně v Evropě), které přitahují miliardy dolarů soukromého kapitálu.

• Velcí hráči: Google se proslavil v roce 2019 demonstrací „kvantové nadřazenosti“ se svým 53qubitovým procesorem Sycamore. IBM razí strategii otevřeného (ale draze placeného) přístupu a zpřístupňuje své kvantové počítače veřejnosti přes cloud, čímž buduje komunitu vývojářů a zkoumá praktické aplikace. Jejich cílem je již letos představit systémy s více než 4000 qubity. Microsoft se soustředí na dlouhodobý a obtížný cíl vytvoření topologického kvantového počítače a zároveň buduje komplexní softwarový ekosystém Azure Quantum.
• Specializované start-upy: Vedle gigantů se dynamicky rozvíjí scéna start-upů, které se často zaměřují na jednu konkrétní platformu. IonQ, první veřejně obchodovaná firma zaměřená čistě na kvantové počítače, sází na technologii iontových pastí. Rigetti Computing vyvíjí supravodivé qubity a usiluje o jejich integraci s klasickými procesory. Finský start-up IQM, který vyvíjí kvantové počítače na principu supravodivých obvodů na čipu, úspěšně konkuruje IBM a získal veliké investice soukromého kapitálu. Je také tvůrcem prvního kvantového počítače v ČR, ostravského VLQ ve zmíněném Národním superpočítačovém centru IT4Innovations.

Tento souboj platforem a firem ukazuje, že cesta ke kvantovému počítači je stále otevřená. Zatímco některé technologie vedou v počtu qubitů, jiné dominují v jejich kvalitě a přesnosti. Je pravděpodobné, že v budoucnu neuvidíme jednoho absolutního vítěze, ale spíše hybridní systémy, kde různé typy kvantových procesorů budou propojeny a využívány pro úlohy, pro které jsou nejvhodnější. Jedno je však jisté: tento závod pohání inovace bezprecedentním tempem a přibližuje nás k éře, kdy kvantové výpočty změní svět.

Kvantová komunikace a budoucnost bezpečnosti

Paradoxně, tatáž technologie, která hrozí zničením současné kryptografie, nabízí také její definitivní řešení. Hrozba „uložte nyní, dešifrujte později“, kdy jsou současná šifrovaná data masivně sbírána s očekáváním jejich budoucího prolomení kvantovými počítači, je naprosto reálná. Odpovědí je kvantová komunikace, jejíž vlajkovou lodí je distribuce kvantového klíče (QKD).

Princip QKD je elegantně jednoduchý a z fyzikálního hlediska spolehlivý. Informace potřebná k vytvoření šifrovacího klíče je kódována do kvantových stavů jednotlivých fotonů, například jejich polarizace. Klíčový poznatek, za který byla v roce 2022 udělena Nobelova cena za fyziku Alainu Aspectovi, Johnu F. Clauserovi a Antonu Zeilingerovi, spočívá v tom, že jakýkoli pokus o odposlech a měření stavu fotonu tento stav nevratně změní. Příjemce si tak okamžitě všimne, že komunikace byla narušena, a klíč se nepoužije. Tím je zaručena absolutní bezpečnost přenosu klíče; nikoli výpočetní složitostí, ale samotnými zákony fyziky.

Aby se tato technologie stala globálně dostupnou, buduje Evropská unie ambiciózní infrastrukturu EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure). Cílem je vytvořit síť pro ultrabezpečnou komunikaci, která propojí kritickou infrastrukturu, jako jsou vládní úřady, banky a nemocnice, pomocí pozemních optických vláken i satelitních spojů. Česká republika je aktivním účastníkem tohoto projektu skrze iniciativu CzechQCI, která buduje páteřní síť mezi Prahou, Brnem a Ostravou a je budována sdružením českých univerzit a ústavů Akademie věd.

Revoluce v měření: Senzory a metrologie na hranici možného

Třetím, avšak neméně důležitým pilířem, jsou kvantové senzory a metrologie. Schopnost manipulovat s jednotlivými kvantovými systémy umožňuje měřit fyzikální veličiny s citlivostí, která byla dříve nepředstavitelná, a je omezena pouze fundamentálními fyzikálními principy.

Aplikace jsou nesmírně široké:

• Navigace a geologie: Vysoce citlivé gravimetry a magnetometry mohou detekovat nepatrné změny v gravitačním a magnetickém poli Země. To umožní vytvoření inerciálních navigačních systémů, které fungují naprosto nezávisle na satelitních signálech (GNSS), a to i pod vodou nebo v podzemí.
• Medicína a biologie: Kvantové senzory mohou mapovat nepatrná elektromagnetická pole lidského mozku či srdce s bezprecedentním rozlišením, což otevírá nové možnosti v diagnostice a ve výzkumu účinků léků.
• Levitující nanočástice: V českých laboratořích, například v Ústavu přístrojové techniky AV ČR, se rozvíjí směr využívající opticky levitující nanoobjekty ve vakuu jako extrémně citlivé senzory zrychlení a slabých sil.

Zvláštní kapitolou je kvantová metrologie času a frekvence. Současné atomové hodiny, založené na cesiové fontáně, dosahují přesnosti řádu 10–15. Nová generace tzv. optických kvantových hodin využívá spektroskopii jediného iontu, zachyceného v elektromagnetické pasti a zchlazeného lasery na teplotu blízkou absolutní nule. Tyto hodiny již nyní dosahují přesnosti o tři řády vyšší (10–18), což odpovídá odchylce jedné sekundy za dobu delší, než je stáří vesmíru. Taková přesnost umožní zpřesnit satelitní navigaci na úroveň centimetrů, zvýšit kapacitu datových přenosů, a dokonce ověřit neměnnost základních fyzikálních konstant. Pro distribuci těchto ultrapřesných časových signálů vzniká evropská síť projektu FOREST, na jejímž budování se významně podílí Česká republika prostřednictvím Ústavu přístrojové techniky AV ČR a sdružení CESNET.

Globální závod a česká stopa

Nástup kvantových technologií není jen vědeckou, ale i geopolitickou a ekonomickou událostí. Jsme svědky globálního závodu o nadvládu v této klíčové oblasti. Iniciativy jako evropský Quantum Flagship s rozpočtem v řádu miliard eur nebo americký a čínský národní program jsou jasným důkazem strategického významu, který je těmto technologiím přisuzován. Souvislost s globálním úsilím o soběstačnost ve výrobě polovodičů, jak ji definuje například European Chips Act, je zřejmá. Kvantové efekty, dříve vnímané jako limit Moorova zákona, se nyní stávají základem pro zcela nový typ čipů – kvantových čipů – které jsou srdcem všech kvantových zařízení.

Česká republika v tomto závodě nezaostává a hraje roli aktivního a respektovaného partnera. Vědecká excelence je soustředěna především na pracovištích Akademie věd (např. Ústavu přístrojové techniky a Fyzikálním ústavu) a univerzitách v Praze, Brně a Olomouci. Tyto instituce nejenže provádějí špičkový základní výzkum, ale jsou i klíčovými aktéry v budování zmíněných evropských infrastruktur (CzechQCI, EuroQCS, FOREST). Iniciativy jako Národní iniciativa pro kvantové technologie (NIKT) a Český optický klastr pak propojují akademickou sféru s průmyslem a připravují půdu pro budoucí aplikace.

Podceňovaná transformace

Kvantové technologie jsou dnes v podobné fázi jako internet na počátku 90. let nebo umělá inteligence před několika lety. Platí pro ně tzv. Amarův zákon: máme tendenci přeceňovat dopad nových technologií v krátkodobém horizontu, ale dramaticky je podceňovat v dlouhodobém horizontu. Toto se velmi zřetelně ukázalo právě v souvislosti s umělou inteligencí. Velká očekávání jsou na místě, ale cesta k levnému a spolehlivému univerzálnímu kvantovému počítači bude ještě dlouhá a plná technických překážek.

Ve druhé kvantové revoluci však nejde jen o kvantové počítače. Už dnes se rodí technologie, které v horizontu několika let zásadně změní bezpečnost naší komunikace a přesnost měření. Kvantová fyzika, kdysi abstraktní a „podivná“ teorie, se definitivně stává motorem technologického pokroku. Až se jednou ohlédneme zpět, pravděpodobně zjistíme, že skutečný dopad této revoluce na ekonomiku, vědu a každodenní život dalece předčil i ty nejodvážnější předpovědi, které činíme dnes.