Kvantová metrologie a komunikace

Kvantová fyzika popisuje chování malých částic, včetně fotonů, stejně jako atomů, iontů a elektronů. Tyto základní částice mohou poskytnout vysoce stabilní standardy pro měření a jejich „kvantové“ chování má obrovský potenciál pro vytvoření zcela nové třídy pokročilých systémů s radikálně novými schopnostmi pro časování, navigaci, komunikaci, výpočetní techniku a další kritické aplikace.

Kvantové technologie zahrnují v současnosti širokou škálu technik, protokolů a zařízení na velmi rozdílných stupních aplikovatelnosti – od systémů nabízených komerčně až po zcela abstraktní teoretické koncepty, nicméně nabízejí fundamentální přednosti ve srovnání s prostředky vycházejícími z klasické fyziky. Typickým příkladem je oblast kyberbezpečnosti a zabezpečených komunikací. Zejména rozvoj elektronického obchodu stimuloval potřebu zajistit bezpečnou vzájemnou identifikaci prostřednictvím vzdálené komunikace. Tyto systémy jsou dosud realizovány dominantně prostřednictvím asymetrického šifrování založeného na výpočetní složitosti. Metody kvantového počítání a rychlý rozvoj praktických zařízení na kvantovém počítání založených představují pro těmito klasickými metodami zabezpečenou komunikaci přímé ohrožení. Na druhou stranu, metody kvantové kryptografie nabízejí bezpečnou alternativu zabezpečené komunikace imunní i proti pokrokům kvantového počítání. Zatímco systémy kvantového počítání i kvantové komunikace zaznamenávají rychlý aplikační vývoj a lze očekávat jejich průnik do veřejností vnímaných aplikací v řádu let, v podobě teoretických nebo laboratorních konceptů existuje celá řada dalších kvantových technologií, jejichž aplikační potenciál je značný, ale dostupnost prakticky využitelných implementací lze v tuto chvíli jen obtížně odhadnout. Sem můžeme zařadit metody kvantové metrologie a obecně kvantové senzoriky, kvantového zobrazování, kvantového strojového učení nebo pokročilejší techniky kvantové komunikace založené na distribuci kvantového provázání, kvantových pamětích a kvantové teleportaci.

Příkladem kvantových technologií jsou atomové hodiny nové generace – optické hodiny, které využívají kvantových stavů unikátních optických přechodů ve zchlazených iontech či atomech s potenciálem dosažení přesnosti na více než 18 desetinných míst. Zcela zásadní je využití přesného času z optických atomových hodin v navigačních systémech nové generace, kde díky vysoké přesnosti měření časových intervalů lze zásadně zpřesnit určení polohy objektů na zemském povrchu i v atmosféře. Význam přesného času generovaného z optických atomových hodin zároveň roste s přechodem na 5G sítě, které vyžadují ultraspolehlivý přenos s nízkou latencí. Sledování časového průběhu anomálií v energetických soustavách umožňuje detekci místa vzniku poruchy. Přesné časové značky jsou také důležité pro řádné fungování finančních trhů, bankovního sektoru a veřejné správy. Experimentální systém optických atomových hodin představuje extrémně složitou aparaturu, která dovoluje přemístění do jiné lokality jen s velkými obtížemi. Rozvoj internetu přinesl masivní rozvoj instalací optických vláken, která lze pro účely distribuce přesného času účinně využít. V této oblasti proto vznikají specializované techniky pro přenos signálů přesného času a frekvence po fotonických sítích, které potlačují vliv akustických vibrací a rušení na stabilitu přenášených signálů.

Téma zahrnuje následující komplementární aktivity, podporující převod výsledků základního výzkumu do aplikací a inovací zejména v České republice.