Evropa želi postati velesila v kvantnih tehnologijah. Kaj pa Slovenija?

Slovenija po naložbah v znanost in raziskovalno opremo že močno zaostaja za drugimi evropskimi državami.
Objavljeno
24. november 2018 06.00
Posodobljeno
24. november 2018 06.00
Prihodnost je kvantna FOTO: arhiv IJS
Peter Jeglič, Dragan Mihailović, Anton Ramšak, Denis Arčon, Rok Žitko
Peter Jeglič, Dragan Mihailović, Anton Ramšak, Denis Arčon, Rok Žitko
Devetindvajsetega oktobra je v dunajski palači Hofburg avstrijski minister za šolstvo, znanost in raziskovanje Heinz Faßmann slovesno naznanil začetek programa evropske komisije na področju kvantnih tehnologij, t. i. Quantum Flagship, vrednega milijardo evrov. Ob tem je uprizoril demonstracijo delovanja kvantnega generatorja naključnih števil in simbolično potrdil odločitev. S tem je želel poudariti, da so nekatere kvantne naprave že pripravljene za uporabo.

Slovenijo je na dunajskem sestanku v razpravi o politiki in perspektivah kvantnih tehnologij (QT) zastopal slovenski državni sekretar za znanost Jernej Štromajer. Tako je na politični ravni tisočim evropskim znanstvenikom, predstavnikom industrije, politikom in medijem potrdil, da bo tudi Slovenija del novonastajajoče evropske velesile v kvantnih tehnologijah. Slovenija namerava za to področje nameniti sredstva v obsegu enega ekvivalenta polne zaposlitve pod pogojem, da na evropski ravni pridobi vrhunski projekt, kar pa ne bo lahko vsaj iz dveh razlogov.

Prvi razlog je, da Slovenija po naložbah v znanost in raziskovalno opremo žal zdaj že močno zaostaja za drugimi evropskimi državami, med drugim tudi za Poljsko, Madžarsko in Slovaško. Drugi razlog pa je, da slovenski raziskovalci na področju QT tekmujejo z drugimi evropskimi kolegi, ki delujejo na raziskovalnih organizacijah, kjer se sredstva za znanost uvrščajo med ključne naložbe. Že pred dogodkom na Dunaju so se deležniki iz raziskovalnih inštitucij, ki delujejo na področju QT, srečali na ministrstvu za izobraževanje, znanost in šport z državnim sekretarjem za znanost in drugimi vidnimi predstavniki ministrstva. Tovrstna srečanja pomenijo veliko vzpodbudo in razumevanje resornega ministrstva o pomenu ključnih razvojnih prioritet na področju znanosti in prepoznavanje njene družbene vloge.

Prihodnost je kvantna
Bančni podatki bodo stoodstotno zaščiteni s kvantnimi algoritmi.
Baterije bodo zdržale 10 let z enim polnjenjem.
Prenosni medicinski instrument bo podal diagnozo na podlagi izdihanega zraka.
S kvantno enkripcijo prisluškovanje ne bo mogoče. Spomnimo se na afero Pirangate.
Slikanje z magnetno resonanco bo možno z napravo v velikosti pametnega telefona.
Svetovne borze bodo sinhronizirane s kvantnimi urami. Njihova točnost je 1 sekunda v celotnem času vesolja (13,8 milijarde let).


Po besedah prof. Tommasa Calarca, direktorja programa QT, tretjega velikega raziskovalnega programa evropske komisije po projektih o grafenu in o človeških možganih, je bilo za vzpostavitev programa odločilno dejstvo, da sta ameriška tehnološka velikana Google in IBM že pred leti začela ogromno vlagati v razvoj kvantnega računalnika. S tem se je začela bitka za prevlado na trgu QT, ki se ga že danes ocenjuje na več milijard evrov. Odzvale so se industrijske velesile od Kanade do Japonske.

Velika Britanija je med prvimi že v letu 2014 začela z nacionalnim programom v višini 270 milijonov funtov. Kitajska je odgovorila z izstrelitvijo satelita za kvantno komuniciranje in govori se, da začenja gradnjo megacentra za QT v mestu Hefei, ki bo vreden več milijard evrov. V septembru 2018 je ameriški kongres potrdil nacionalni program v višini 1,2 milijarde ameriških dolarjev za razvoj kvantnega računalnika. Takoj se je odzvala tudi Nemčija, ki bo že sicer imela vodilno vlogo v programu evropske komisije, vendar bo na nacionalni ravni pristavila še dodatnih 650 milijonov evrov za raziskovanje na tem aktualnem področju.

image
Prihodnost je kvantna FOTO: arhiv IJS


Program QT temelji na ugotovitvi, da je evropska znanost na področju kvantne fizike izjemno uspešna in da je dosegla stopnjo razvoja, ko je dognanja in izdelke možno komercializirati. Zato je približno 80 odstotkov vseh sredstev namenjenih tehnološkemu preboju in okoli 20 odstotkov osnovnim raziskavam, saj mora bazična znanost nadaljevati odkrivanje možnosti za nove pristope, ki jih ponuja uporaba kvantnih pojavov. Prof. Anton Zeilinger, predsednik avstrijske akademije znanosti in mojster kvantne prepletenosti ter teleportacije, je bil v svečanem predavanju na Dunaju jasen: »Gibalo napredka niso aplikacije, ampak človeška radovednost.« Program QT je rezultat razvoja kvantne fizike v zadnjih stotih letih, ki pa še vedno preseneča z novimi odkritji. O tem priča kar šest izmed zadnjih dvajsetih Nobelovih nagrad za fiziko, katerih znanstvena odkritja so vsako zase sprožila razvoj vsaj ene izmed spodaj opisanih kvantnih tehnologij.
 

Slovenija močno zaostaja


Nesporno je dejstvo, da Slovenija na področju QT močno zaostaja. Slovenija ima na področjih, ki se naravno nadaljujejo v kvantne tehnologije, nekaj odličnih raziskovalnih skupin, žal pa nima primerne raziskovalne infrastrukture in industrije, ki bi to preobrazbo uresničile. Ugotavljamo, da so bile pred leti v podobni situaciji države, kot so na primer Madžarska, Poljska in Finska. Vse tri so s pomočjo izdatne podpore države in politike, ki se je zavedala pomembnosti QT, postale pomemben igralec na tem področju. Večina od njih je za ta namen koristila predvsem evropska kohezijska sredstva iz evropskega programa strategije pametne specializacije. Naj kot primer navedemo finsko univerzo v Aaltu, ki je že vključena v tri večmilijonske mednarodne projekte evropskega programa na področju kvantnih računalnikov, komunikacij in senzorjev. Po besedah prof. Hannele Lahtinen s finske akademije je to rezultat prizadevanj države, ki je v zadnjih petih letih vzpostavila sistem centrov odličnosti na področju QT.

Vzpostavitev centrov odličnosti za Slovenijo ni novost, saj je naša država ta instrument uspešno izvedla pred desetletjem pri pospeševanju prehoda v energijsko učinkovito gospodarstvo oziroma v nizkoogljično družbo. Slovenski raziskovalci QT razumemo prisotnost predstavnika ministrstva, pristojnega za znanost, na Dunaju kot namero za krepitev investicij na področju znanosti, kar ne nazadnje izhaja tudi iz koalicijske pogodbe, in obenem podajamo pobudo, da se dobre prakse predhodnega okvirnega programa iz centrov odličnosti prenese tudi na novi operativni program črpanja kohezijskih sredstev tako, da se vzpostavi konkurenčni center odličnosti za kvantne tehnologije. Predlagamo, da se k sodelovanju povabi vse zainteresirane deležnike: predstavnike raziskovalne skupnosti, visokošolskega izobraževanja, gospodarstva in podporne industrije, ki na tem področju vidijo potencial oziroma so v njem že aktivni. Le tako bo tudi prihodnost Slovenije kvantna v koraku s preostalim naprednim svetom!

Kvantna tehnologija in vsakdanji svet
Predstavljajte si, da se sprehajate po ulici, ko se mimo vas pripelje najstnik na rolki, izgubi ravnotežje in pade na glavo. Mimo priteče študentka medicine in iz žepa izvleče prenosni diagnostični instrument, ki v hipu preveri ključne možganske aktivnosti ponesrečenca. Že čez nekaj sekund se pojavi obvestilo iz bolnišnice, ki ponesrečenca napoti v lekarno po zdravilo, ki je prilagojeno njegovi anamnezi in bo zmanjšalo verjetnost za morebitne posledice po padcu. Po ulici se pripelje avtonomno vozilo, ki uporablja najnovejši navigacijski sistem z milimetrsko natančnostjo. Pravzaprav ga usmerja računalnik, ki hkrati nadzoruje vsa vozila v mestu in tako preprečuje nastajanje prometnih zamaškov in zmanjšuje emisije. Gospod v kavarni popolnoma varno nakupuje nov zapisovalnik podatkov, kamor želi shraniti prav vse digitalne zapise za več generacij svoje družine. Med sprehodom poslušate prispevek o zadnjem dosežku slovenskih farmacevtov, ki namesto testiranja na živalih kar izračunajo učinek novega zdravila na bolnikih z alzheimerjevo boleznijo. V daljavi opazite, da v sosednji hrib vstavljajo mrežo senzorjev, ki bodo zaznavali najmanjše spremembe gravitacijskega pospeška in opozarjali na nevarnost potresov in plazov. To je le delček tega, kar bodo omogočale kvantne tehnologije.

V prenosnem diagnostičnem instrumentu bodo miniaturizirani in integrirani atomski magnetometri, ki detektirajo možganske signale. Potrese in plazove bodo zaznavali atomski gravimetri, za navigacijo bodo skrbele ure na hladne atome. Gre za kvantne senzorje, ki zaradi občutljivosti in natančnosti presegajo vse današnje tehnologije pri merjenju časa, razdalj, hitrosti vrtenja, pospeškov, gravitacijskega polja, električnih in magnetnih polj. Kvantni senzorji bodo našli pomembno uporabo v geofiziki, metrologiji, naravovarstvu, astrofiziki, obrambi, rudarstvu, kemiji, biologiji, medicini ali na primer pri shranjevanju in branju podatkov. S kvantnimi senzorji se ukvarjajo tudi raziskovalci na Inštitutu Jožefa Stefana (IJS), kjer razvijajo atomske magnetometre in interferometre s hladnimi atomi.

Kvantni računalniki bodo imeli izjemno računsko moč za reševanje določenih problemov, kot so prepoznavanje vzorcev, reševanje zahtevnih enačb in iskanje po bazah podatkov. Imajo neverjeten potencial pri učenju sistemov umetne inteligence, kot so diagnosticiranje bolnikov in predlaganje terapij zdravljenja ali pri optimizaciji in kontroli mestnega prometa. Zgrajeni so iz kvantnih bitov, ki so lahko posamezni atomi, ioni, fotoni ali superprevodna vezja, in izkoriščajo njihovo superpozicijo stanj in prepletenost. Intel, HRL Laboratories in NTT stavijo na spinske kvantne bite v polprevodnikih. Google, IBM in Intel investirajo v superprevodne kvantne bite. D-wave izdeluje prototipe tako imenovanih superprevodnih kvantnih »annealerjev«, medtem ko Microsoft raziskuje topološke kvantne bite. Lockheed Martin in Infineon pa zaupata v tehnologijo ionov v pasti in njihovo interakcijo s fotoni. Znanstveniki na IJS razvijajo nove spominske elemente za kvantne računalnike s podjetji Cosylab (Slovenija) in Hypres (ZDA), a žal brez namenskega financiranja.

Ko gre za pereča vprašanja novih kemikalij in zdravil v medicini, ali novih gnojil v kmetijstvu, ali na primer novih materialov, kot so visokotemperaturni superprevodniki, ne potrebujemo univerzalnega kvantnega računalnika, ampak tako imenovane kvantne simulatorje. Gre za koncept, soroden vetrovniku, kjer s pomočjo manjših modelov poskušamo razumeti aerodinamiko avtomobilov ali letal. Pri kvantnih simulatorjih uporabimo enostavne kvantne sisteme (na primer hladne atome na mreži) za oponašanje sorodnih sistemov, s katerimi pa ni tako enostavno izvajati kontroliranih eksperimentov oziroma jih še ne razumemo. Uporaba kvantnega računalnika D-wave za izračune lastnosti kvantnih materialov za uporabo v spominskih elementih že poteka tudi na IJS.

Zadnji steber QT predstavljajo kvantne komunikacije. Te bodo državljane varovale pri prenašanju občutljivih digitalnih informacij, kot so zdravstvene kartoteke ali finančne transakcije. Kvantno komuniciranje temelji na prenašanju posameznih fotonov. Za varen prenos podatkov je ključno, da morebitno prestrezanje posameznih fotonov lahko zaznamo, torej prisluškovanje brez vednosti uporabnika teh tehnologij ni mogoče. Takšen način varne komunikacije s kvantno enkripcijo je že možen med dvema laboratorijema, kar bi lahko v prihodnosti privedlo do kvantnega interneta. Na fakulteti za matematiko in fiziko ljubljanske univerze že snujejo projekt, kjer bodo s kvantno enkripcijo povezali mesta sosednjih držav.