Kvantové technologie - Terminologie

DPS 3/2023 | Články
Autor: RNDr. Karel Jurák, Ph.D., Ing. Zuzana Nejezchlebová, CSc.

Následující příspěvek je úvodem do terminologie z oblasti kvantových technologií, kde se rozvíjejí mj. nové koncepce pro zpracování informací a pro komunikace. Tento obor navazuje na teoretickou informatiku, atomovou fyziku a optiku.

Článek je pokračováním předchozích terminologických témat: Informační a komunikační technologie, Umělá inteligence atp. Text vychází z dokumentů normalizačních skupin ISO/IEC JTC 1 WG 14, CEN CENELEC_FGQT a z článků české a anglické wikipedie.

Kvantová elektronika (quantum electronics) byl termín používaný v letech 1950−1970 pro oblast fyziky, která popisuje chování elektronů a fotonů pomocí kvantové mechaniky.
Kvantová mechanika (quantum mechanics) dosáhla během více než 100 let po svém vzniku velkého experimentálního úspěchu a dospěla k aplikacím, které změnily náš život. Zůstává však nadále obestřena tajemstvím a nepochopitelností. V nedávné době narůstá nová vlna aplikací – kvantové počítače, kvantové komunikace atp.
Principy kvantové mechaniky, které jsou důležité pro rozvíjení kvantových technologií, jsou zejména:
- kvantové provázání (quantum entanglement) – stav nějakého většího systému nelze rozdělit do stavů jednotlivých podsystémů;
- kvantová superpozice (quantum superposition) – lineární kombinace vlnových funkcí;
- kvantové tunelování (quantum tunnelling) – částice prochází bariérou vyšší, než je její energie.
Kvantová optika (quantum optics) je odvětví atomové, molekulární a optické fyziky, která se zabývá tím, jak jednotlivá kvanta světla, později nazývaná fotony, interagují s atomy a molekulami. Toto odvětví zahrnuje studium fotonů, které jsou využívány pro testování predikcí kvantové mechaniky a rovněž pro kvantové zpracování informací a kvantovou komunikaci.
Kvantový bod (quantum dot, QD) je realizován obvykle polovodičovým nanokrystalem, který může (po vybuzení UV zářením) generovat monochromatické světlo, červené, zelené a modré. Takové nanokrystaly jsou využívány pro:
- řadu variant QD displejů;
- kvantové komunikace.
Umělá inteligence (artificial intelligence) je jednou z oblastí, kde se předpokládá řešení řady problémů pomocí kvantových procesorů, např. pro rozsáhlé (jazykové) modely typu GPT- 4, založené na strojovém učení/tréninku.

Obr.1 Práce na kryogenické části kvantového počítače [WikiComm]

Další související termíny

Kvantové technologie (guantum technology) jsou novou oblastí fyziky a techniky, např.:
- kvantová kryptografie (quantum cryptography);
- kvantová metrologie (quantum metrology);
- kvantové počítače (quantum computing);
- kvantová simulace (quantum simulation);
- kvantové senzory (quantum sensors);
- kvantové zobrazování (quantum imaging).
Kvantový bit (qubit) je jednotka kvantové informace odvozená od klasického bitu. Qubit je implementován kvantovým systémem. Bit v klasickém systému může nabývat jedné ze dvou hodnot, ale kvantová mechanika umožňuje, aby stav qubitu byl navíc jistou kombinací obou hodnot.
Kvantová kryptografie ( quantum cryptography) je obor kryptografie využívající poznatků kvantové mechaniky, který řeší problém bezpečné distribuce klíčů mezi odesílatelem a příjemcem a umožňuje spolehlivou detekci odposlechu. Zatímco klasická kryptografie používá k utajení informací metody matematiky, informatiky či klasické fyziky, kvantová kryptografie využívá metody kvantové mechaniky.
Kvantové sdílení klíče (quantum key distribution, QKD) – bezpečná metoda komunikace, která implementuje kryptografický protokol zahrnující komponenty kvantové mechaniky.
Postkvantová kryptografie (post-quantum cryptography) je klasická kryptografie, která je odolná vůči případným útokům kvantových počítačů. Jde o způsob šifrování, kdy není znám algoritmus pro kvantový počítač, který by snížil složitost úlohy oproti klasickému algoritmu.
Kvantová metrologie (quantum metrology) používá pro měření fyzikálních parametrů principy kvantové mechaniky.
Kvantový počítač (quantum computer) vykonává výpočty na základě fenoménů známých z kvantové mechaniky jako superpozice či interference.
Kvantový simulátor (quantum simulator) je zařízení, které umožňuje simulaci kvantově mechanických systémů.
Kvantové senzory (quantum sensors) jsou schopny překonávat funkce obdobných klasických zařízení. Jde o sledování jednotlivých fotonů, nanočástic, např. měření gravitačního pole, založené na atomové interferometrii.
IBM Q System One je první komerční kvantový počítač s 20 qubity, který byl představen v lednu 2019. Jeho první umístění propagovala poté firma 15. června 2021 ve své centrále v německém Ehningenu – viz obr. 2.

Obr.2 IBM Quantum System One v Ehningenu, Německo [WikiComm]

Studium související problematiky

ČVUT v Praze, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, doktorský studijní program Kvantové technologie – multidisciplinární studijní program, který cílí na výchovu špičkových odborníků v oblastech kvantové fyziky, informace a komunikace, kvantové optiky, laserů, pevných látek, nanomateriálů, nanostruktur a pokročilých metod jejich charakterizace a modelování.
ČVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická – kurz kvantového počítání. Osnova zahrnuje např.:
- kvantová hradla,
- kvantovou mechaniku,
- šifrovací protokoly,
- kvantové prohledávání.
MUNI v Brně, Přírodovědecká fakulta, Ústav fyziky kondenzovaných látek:
- Studium optických vlastností kvantových teček, bakalářská práce, J. Valdhans.
MUNI v Brně, Fakulta informatiky, předmět: Fyzikální koncepty kvantového zpracování informace. Osnova zahrnuje např.:
- kvantovou interferenci a superpozici,
- měření kvantových vlastností,
- kvantový bit,
- kvantové provázání,
- kvantovou kryptografii.
Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta, přednáška: Kvantová informace.
Související dokument EU: SWD(2016) 107, Rozvoj evropského kvantového průmyslu (European Quantum Industry).
Evropská kvantová komunikační infrastruktura je projekt, ke kterému se připojila rovněž ČR. Jde o bezpečný přenos informací mezi všemi zeměmi EU, tedy o vznik zabezpečeného transevropského komunikačního kanálu pro různé druhy citlivých informací.
Laboratoř kvantové bezpečnosti:
- Laboratoř umožňuje od 9/2021 vědeckým pracovníkům (VUT FEKT a NUKIB) pracovat na počítačových sítích nové generace, které budou chráněny i před útoky kvantových počítačů, vůči nimž je zranitelná naprostá většina současných sítí, včetně internetu.

Související normalizace

IEEE SA připravuje/novelizuje např.:
- IEEE P1913™ – Software-Defined Quantum Communication,
- IEEE P7130™ – Standard for Quantum Computing Definitions,
- IEEE P7131™ – Standard for Quantum Computing Performance Metrics.
ISO/IEC JTC 1/WG 14 Qantum computing je skupina založená v roce 2020, která připravuje např.:
- ISO/IEC CD 4879, Quantum computing – Terminology and vocabulary,
- ISO/IEC AWI TR 18157, Information technology – Introduction to quantum computing,
- ISO/IEC PWI 18670, Information technology – General requirements for quantum resource simulation platform,
- ISO/IEC PWI 18660. Information technology – Quantum machine learning datasets.
CEN-CENELEC FGQT, Focus Group on Quantum Technologiies:
- založena v roce 2020 pro zabezpečování evropské normalizace,
- přeměněna na komisi CEN/CLC/JTC 22 Quantum technologies.