Pričakovana področja uporabe kvantnih tehnologij

1. Kvantne komunikacije

Kvantne komunikacije so ena izmed najbolj obetavnih vej kvantnih tehnologij, saj omogočajo izjemno varno prenašanje informacij. Ključni koncept, ki stoji za tem, je kvantna kriptografija, kjer se uporablja kvantna prepletenost in superpozicija za ustvarjanje ključev, ki jih ni mogoče prestreči ali ponarediti.

Trenutni sistemi šifriranja temeljijo na kompleksnih matematičnih problemih, ki jih lahko klasični računalniki težko rešijo, vendar bodo kvantni računalniki lahko razbili te zaščite. Prav zato je razvoj kvantnih omrežij ključen za prihodnost varnih komunikacij. Kvantni internet, ki se razvija v Evropi, že omogoča povezovanje mest, kot sta Dunaj in Bratislava, s kvantno varovanimi optičnimi kabli.

Dolgoročni cilji:

• Varno bančništvo: s pomočjo kvantne kriptografije zagotoviti neprebojno zaščito podatkov pri finančnih transakcijah in elektronskem poslovanju.
• Varno poslovanje: omogočiti, da bodo podjetja lahko komunicirala brez tveganja prestrezanja občutljivih informacij.
• Varne komunikacije: preprečevanje zlorab pri spletnem nakupovanju, popolna zaščita osebnih podatkov, zagotavljanje zasebnosti in nacionalne varnosti.

2. Kvantni senzorji

Kvantni senzorji so naprave, ki izkoriščajo kvantne lastnosti, kot sta superpozicija in prepletenost, za merjenje fizikalnih veličin z izjemno natančnostjo. Ti senzorji omogočajo zaznavanje zelo majhnih sprememb v različnih poljih, kot so magnetno, gravitacijsko in električno polje. V primerjavi s klasičnimi senzorji so kvantni senzorji bolj občutljivi in natančni, kar omogoča napredek v znanosti, tehnologiji, medicini.

Uporaba v navigaciji in geologiji

Kvantni senzorji bodo v prihodnosti omogočili napredne metode navigacije brez potrebe po GPS-signalu. To je še posebej pomembno v težko dostopnih območjih, kjer satelitski signali niso na voljo, kot so podzemni tuneli, globoki oceani ali celo odmaknjeni deli vesolja. Poleg tega kvantni gravimetri omogočajo natančno kartiranje podzemnih struktur, kar je ključnega pomena pri iskanju rudnin, nafte in drugih naravnih virov. Kvantni magnetometri pa omogočajo zaznavanje sprememb v Zemljinem magnetnem polju, kar lahko pripomore k zgodnejšemu odkrivanju potresov ali vulkanskih izbruhov.

Uporaba v medicini

V medicini kvantni senzorji odpirajo nove možnosti za diagnosticiranje in spremljanje bolezni. Na primer, magnetometri, ki temeljijo na kvantnih principih, omogočajo neinvazivno spremljanje možganske aktivnosti. To omogoča raziskave nevroloških bolezni, kot so Alzheimerjeva bolezen, epilepsija in multipla skleroza, brez tveganja, povezanega z običajnimi metodami. Poleg tega kvantni senzorji omogočajo razvoj zelo natančnih bioloških merilnih naprav, ki lahko zaznajo bolezni v zgodnjih fazah, še preden se pojavijo simptomi, kar povečuje možnosti za zgodnje in učinkovito zdravljenje.

Kvantni senzorji imajo tako pomemben potencial za napredek v številnih industrijah in omogočajo rešitve za nekatere izzive, s katerimi se soočamo danes.

Dolgoročni cilji:

• Navigacija: izboljšanje metod določanja položaja brez potrebe po GPS-signalu, izboljšanje natančnosti navigacije za avtonomna vozila ter inercijske navigacije, ki deluje tudi v stavbah in v predorih, izdelava ultra natančnih ur za globalno sinhronizacijo,
• Opazovanje Zemlje: natančno zaznavanje geoloških sprememb, napovedovanje potresov in raziskovanje virov.
• Zdravje: visokoločljivo slikanje telesa, spremljanje možganske aktivnosti in zgodnje odkrivanje bolezenskih znakov.

3. Kvantno računalništvo

Kvantno računalništvo temelji na izkoriščanju kvantnih lastnosti za izvajanje izračunov, ki so za klasične računalnike praktično nerešljivi. Namesto običajnih bitov, ki lahko zavzamejo vrednosti 0 ali 1, kvantni računalniki uporabljajo kubite, ki lahko obstajajo v več stanjih hkrati. Ta sposobnost omogoča izvajanje vzporednih izračunov in bistveno povečuje hitrost ter zmogljivost računalniških procesov. Potencial kvantnega računalništva je širok, še posebej na področjih, kot so optimizacija logistike, prilagoditev cestnega prometa v realnem času ter hitro in učinkovito iskanje rešitev v kompleksnih sistemih.

Dolgoročni cilji:

• Računanje: reševanje optimizacijskih problemov v logistiki (na primer načrtovanje transportnih poti z minimalnimi stroški in časovnimi zamudami), upravljanje in optimizacija cestnega prometa (na primer prilagajanje semaforjev v realnem času za zmanjšanje zastojev), hitro iskanje in odločanje.

4. Kvantne simulacije

Kvantne simulacije so napreden pristop, ki omogoča modeliranje kvantnih pojavov, katerih obdelava je za klasične računalnike pretežka. Temeljijo na zakonitostih kvantne mehanike, ki omogočajo, da kvantni računalniki simulirajo zapletene kvantne interakcije med delci. To omogoča izjemno natančne simulacije, ki so ključnega pomena za razvoj novih materialov, zdravil, optimizacijo energetske tehnologije ter prepoznavanje vzorcev v velikih podatkovnih zbirkah.

Ena izmed najbolj obetavnih aplikacij kvantnih simulacij je razvoj novih snovi z izjemnimi lastnostmi. S kvantnimi simulacijami je mogoče raziskati in modelirati kompleksne molekule ter preučiti kvantne lastnosti materialov na atomski ravni. Tako lahko znanstveniki razvijajo superprevodnike pri sobni temperaturi, lahke in trdne materiale za letalstvo ali vesoljsko tehnologijo ter celo samoregenerativne materiale.

Poleg tega kvantne simulacije omogočajo hitro iskanje novih zdravil, prilagojenih posameznim pacientom, saj omogočajo natančne simulacije interakcij med zdravili in človeškimi celicami, kar pripomore k hitrejšemu in cenejšemu razvoju zdravil.

Kvantne simulacije bodo prav tako ključnega pomena pri napredku v energiji, saj omogočajo razvoj novih, lažjih in zmogljivejših baterij. Z optimizacijo baterij, kot so litij-ionske ali baterije na osnovi drugih elementov, bodo te tehnologije lahko pripomogle k bolj energetsko učinkoviti prihodnosti.

Prav tako bodo kvantne simulacije igrale pomembno vlogo pri prepoznavanju vzorcev v velikih podatkovnih zbirkah, kar bo omogočilo napredek na področju umetne inteligence, napovedovanja podnebnih sprememb, optimizacije finančnih trgov in zgodnjega odkrivanja bolezni.

Dolgoročni cilji:

• Nove snovi in materiali: simulacije kompleksnih molekul za odkrivanje novih materialov, optimizacija lažjih in zmogljivejših baterij za energetsko učinkovitejšo prihodnost.
• Nova zdravila: simulacije kompleksnih molekul za izdelavo zdravil prirejenih za posameznika
• Prepoznavanje vzorcev: kvantna analiza velikih podatkovnih zbirk za napovedovanje trendov in optimizacijo procesov.