- Topološki kvantni procesor Majorana 1, predstavljen v začetku leta 2025, je 8-kubitni čip, ki uporablja topološki superprevodnik za ustvarjanje stabilnejših kubitov.
- Googlov kvantni čip Willow s 70 kubiti je dosegel kvantno prednost, saj je opravil nalogo v manj kot petih minutah, za katero bi najboljši klasični superračunalnik potreboval približno 10 septilijonov (10^25) let.
- Googlov 70-kubitni čip Willow je pokazal, da lahko dodajanje več kubitov eksponentno zmanjša napake in tako učinkovito reši 30-letni izziv kvantnega popravljanja napak.
- Microsoft in UC Santa Barbara sta ustvarila prve topološke kubite v 8-kubitnem prototipu Majorana 1, pri čemer sta uporabila topološki superprevodnik za kodiranje informacij z vgrajeno zaščito pred šumom.
- IBM zdaj upravlja nekatere največje superprevodne kvantne procesorje na svetu, ki presegajo 400 kubitov na enem čipu, pripravlja pa tudi čip z 1.121 kubiti in raziskuje modularne kvantno-centrične superračunalnike, ki bi lahko v naslednjem desetletju dosegli 100.000 kubitov.
- Inženirji z univerze Northwestern so teleportirali kvantne informacije prek 30 km obstoječega optičnega vlakna, ki prenaša običajni internetni promet.
- Aprila 2025 sta Deutsche Telekomov T-Labs in Qunnect demonstrirala vzdržno distribucijo prepletenih fotonov prek 30 km komercialnega vlakna z 99-odstotno zvestobo v obdobju 17 dni.
- Kitajska ima 2.000-kilometrsko kvantno povezavo Peking–Šanghaj z uporabo QKD satelitov in optičnih vlaken, medtem ko evropska partnerstva gradijo kvantno hrbtenico, ameriški Chicago Quantum Exchange pa upravlja 124-miljsko metropolitansko omrežje.
- Oak Ridge National Laboratory je demonstriral vzporedno kvantno zaznavanje s štirisenzorskim nizom, ki uporablja stisnjeno svetlobo in dosega približno 23-odstotno hkratno izboljšanje občutljivosti vseh senzorjev.
- Argonne National Laboratory je dosegel koherenčni čas 0,1 milisekunde za nov kubit, kar je skoraj 1000-krat dlje od prejšnjega rekorda.
Kvantno inženirstvo vstopa v zlato dobo odkritij. Samo v zadnjem letu so raziskovalci po vsem svetu premikali meje ultra majhnega in dosegali dosežke, ki so se še pred kratkim zdeli desetletja oddaljeni. Od kvantnih računalnikov, ki prekašajo klasične superračunalnike, do kvantnih omrežij, ki prenašajo podatke prek prepletenosti, do kvantnih senzorjev, ki zaznavajo najmanjše signale, in kvantnih materialov, ki razkrivajo eksotična nova stanja snovi – nedavni napredki segajo v vse kotičke tega najsodobnejšega področja. Spodaj raziskujemo glavna podpodročja kvantnega inženirstva, izpostavljamo ključne preboje zadnjega leta in na razumljiv način pojasnjujemo kaj ti dosežki pomenijo za našo prihodnost.
Kvantno računalništvo: Bližje uporabnim kvantnim strojem
Topološki kvantni procesor Majorana 1, predstavljen v začetku leta 2025, je 8-kubitni čip, ki uporablja nov material “topološki superprevodnik” za stabilnejše kubite. Ta prebojni pristop, ki ga vodijo fiziki z Microsofta in UC Santa Barbare, obeta notranje odporne kubite na napake universityofcalifornia.edu.
Kvantno računalništvo izkorišča nenavadne lastnosti kvantnih bitov (kubitov) – ki so lahko hkrati 0 in 1 – za izvajanje izračunov, ki so daleč onkraj zmožnosti običajnih računalnikov. V letih 2024 in 2025 je kvantno računalništvo naredilo več velikih korakov proti uporabnosti:
- Premaganje klasičnih superračunalnikov: Googlov najnovejši kvantni čip “Willow” je opravil računsko nalogo v manj kot petih minutah, za katero bi najboljši superračunalnik potreboval ocenjenih 10 septilijonov (10^25) let blog.google. Ta dramatična demonstracija “kvantne prednosti” kaže, kako so določene naloge (kot je simulacija kompleksnih molekul ali reševanje optimizacijskih ugank) popolnoma nedosegljive za klasične stroje, a jih je mogoče rešiti s kvantnimi procesorji.
- Preboj pri popravljanju napak: Morda še pomembneje, Googlov 70-kubiten čip Willow je pokazal, da lahko dodajanje več kubitov eksponentno zmanjša napake – kar v bistvu pomeni preboj v 30-letnem iskanju kvantnega popravljanja napak blog.google. “To rešuje ključen izziv kvantnega popravljanja napak, ki ga področje zasleduje že skoraj 30 let,” je zapisal direktor Google Quantum AI Hartmut Neven blog.google. Z delovanjem pod pragom popravljanja napak je Willow ponudil najjasnejši dokaz doslej, da je razširljivo, na napake odporno kvantno računalništvo dosegljivo blog.google. Strokovnjaki so to označili kot “najbolj prepričljiv prototip razširljivega logičnega kubita doslej… močan znak, da je mogoče zgraditi uporabne, zelo velike kvantne računalnike” blog.google.
- Prihajajo topološki kubiti: V še enem osupljivem napredku je ekipa Microsoft/UCSB ustvarila prve topološke kubite na svetu – eksotične kubite, shranjene v novi fazi snovi, imenovani topološki superprevodnik universityofcalifornia.edu. Ti kubiti (realizirani v prototipnem čipu z osmimi kubiti, imenovanem Majorana 1) izkoriščajo Majorana ničelne mode – nenavadne kvazidelce, ki so svoje lastne anti-delce – za kodiranje informacij z vgrajeno zaščito pred šumom universityofcalifornia.edu. »Ustvarili smo novo stanje snovi, imenovano topološki superprevodnik,« je pojasnil dr. Chetan Nayak, direktor Microsoft Station Q, in dodal, da njihovi rezultati kažejo, »da to lahko naredimo, naredimo hitro in natančno« universityofcalifornia.edu. Topološki kubiti so v svojem bistvu bolj stabilni, kar bi lahko omogočilo kvantne računalnike, ki potrebujejo bistveno manj kubitov za popravljanje napak. Microsoft je celo napovedal načrt za povečanje te tehnologije na milijon kubitov na enem samem čipu v prihodnjih letih azure.microsoft.com – drzen cilj, ki bi, če bi ga uresničili, bil prelomnega pomena.
- Povečevanje obsega in zagon v industriji: Vodilna podjetja še naprej tekmujejo v doseganju večjega števila kubitov in boljše zmogljivosti. IBM zdaj upravlja nekatere največje superprevodne kvantne procesorje na svetu (nedavno je presegel 400+ kubitov na enem čipu, na poti pa je čip z 1.121 kubiti) in raziskuje modularne “kvantno-centrične superračunalnike”, ki bi lahko v naslednjem desetletju dosegli 100.000 kubitov pme.uchicago.edu. Pomembno je, da industrija in akademska sfera sodelujeta pri tem, da bi kvantno računalništvo postalo uporabno: na primer, raziskovalci so začeli združevati kvantne algoritme z umetno inteligenco in visokozmogljivim računalništvom za reševanje kemijskih in materialnih problemov thequantuminsider.com. Že zdaj podjetja v farmaciji, energetiki, financah in vesoljski industriji preizkušajo kvantne računalnike za naloge iz resničnega sveta time.com. Kot sta zapisala dva direktorja v Time reviji, “kvantna doba se je že začela”, kvantna strojna in programska oprema pa napredujeta z “bliskovito hitrostjo” v zadnjih 18 mesecih time.com.
Kaj sledi? S temi preboji kvantno računalništvo vztrajno izgublja sloves oddaljenih sanj in postaja orodje za reševanje resničnih problemov. Kmalu bi lahko dobili napake popravljajoče kubite in stabilne topološke kubite, kar bi omogočilo stroje, ki zanesljivo prekašajo klasične superračunalnike pri uporabnih nalogah. Posledice so ogromne: lahko bi načrtovali nova zdravila in materiale s simulacijo kemije na kvantni ravni, optimizirali zapletene logistične in AI modele ter celo reševali danes nerešljive probleme. Čeprav izzivi ostajajo (povečevanje na tisoče ali milijone kubitov, izboljšanje kakovosti kubitov in zniževanje stroškov), nedavni napredek nakazuje, da uporabni kvantni računalniki lahko pridejo veliko prej, kot so mnogi pričakovali. Kot je zapisano v enem izmed poročil, kvantna revolucija ne prihaja z enim samim “aha trenutkom”, temveč skozi “preboje v zmogljivosti, rešene probleme in trajno ustvarjanje vrednosti” – pogosto v ozadju, a že v teku time.com.
Kvantna komunikacija: gradnja kvantnega interneta
Kvantna komunikacija uporablja kvantna stanja (kot so prepleteni fotoni) za omogočanje izjemno varnega, takojšnjega prenosa informacij. Za razliko od običajnih signalov je mogoče kvantne informacije prenašati na načine, ki jih prestrezniki ne morejo prestreči brez zaznave, kar postavlja temelje za neprebojni kvantni internet. V zadnjem letu je prišlo do izjemnih napredkov, ki to vizijo približujejo resničnosti:
- Teleportacija po obstoječem optičnem vlaknu: V prvem tovrstnem eksperimentu na svetu so inženirji z univerze Northwestern teleportirali kvantne informacije prek 30 km optičnega vlakna, ki je hkrati prenašalo običajni internetni promet news.northwestern.edu. Dosegli so kvantno teleportacijo (prenos stanja kubita z ene lokacije na drugo prek prepletenosti) prek standardnega vlakna s skrbnim izogibanjem motnjam iz klasičnih podatkovnih tokov. “To je izjemno vznemirljivo, ker nihče ni mislil, da je to mogoče,” je povedal prof. Prem Kumar, vodja študije news.northwestern.edu. “Naše delo kaže pot do naslednje generacije kvantnih in klasičnih omrežij, ki si delijo enotno infrastrukturo… v bistvu odpira vrata za dvig kvantnih komunikacij na naslednjo raven.” news.northwestern.edu Z iskanjem pravega “okna” valovne dolžine in filtriranjem šuma je ekipa dokazala, da lahko kvantni signali sobivajo z vsakodnevnim internetnim prometom v istem vlaknu news.northwestern.edu. To pomeni, da morda ne bomo potrebovali namenskih kvantnih kablov; prihodnji kvantni internet bi lahko deloval na današnjih optičnih omrežjih, kar bi močno znižalo ovire za uvedbo news.northwestern.edu.
- Prepletenost na daljavo, neprekinjena: Aprila 2025 so raziskovalci iz T-Labs Deutsche Telekoma in Qunnecta demonstrirali neprekinjeno distribucijo prepletenih fotonov prek 30 km komercialnega optičnega vlakna z 99-odstotno zvestobo, neprekinjeno 17 dni telekom.com. Ta stabilnost in čas delovanja sta brez primere. To dokazuje, da je mogoče prepletene povezave – hrbtenico kvantnih omrežij – zanesljivo vzdrževati v realnih pogojih. Dosledno visoka zvestoba prepletenosti na dolge razdalje je ključen korak k velikim kvantnim repetitorjem in omrežjem. Dejstvo, da je bilo to doseženo na standardno nameščenem vlaknu v metropolitanskem Berlinu, poudarja, da tehnologija kvantnih omrežij zapušča laboratorij in vstopa v praktično uporabo telekom.com.
- Povečevanje kvantnih omrežij: Po vsem svetu se testna okolja za kvantno komunikacijo hitro širijo. Nacionalni projekti povezujejo mesta s kvantno šifriranimi optičnimi linijami in sateliti. Na primer, Kitajska ima operativno 2.000-kilometrsko kvantno povezavo med Pekingom in Šanghajem z uporabo satelitov in optičnih vlaken za kvantno distribucijo ključev (QKD), evropska sodelovanja pa povezujejo več držav v nastajajočo »kvantno hrbtenico«. V ZDA so nacionalni laboratoriji in univerze oblikovali metropolitanska testna okolja za kvantna omrežja (kot je 124-miljsko omrežje Chicago Quantum Exchange) za preizkušanje izmenjave prepletenosti in kvantnih repetitorjev. Vsa ta prizadevanja vodijo k končnemu cilju: kvantnemu internetu, ki bo obsegal ves svet in omogočal popolnoma varno komunikacijo ter porazdeljeno kvantno računalništvo. Nedavni preboji na področju kvantnega pomnilnika in repetitorskih vozlišč (naprav, ki shranjujejo in podaljšujejo prepletenost) izboljšujejo doseg in zanesljivost kvantnih povezav news.northwestern.edu, medtem ko majhni kvantni sateliti že dokazujejo sposobnost pošiljanja prepletenih fotonov med celinami.
Kaj sledi? V bližnji prihodnosti lahko pričakujemo, da bodo kvantno varne komunikacije začele ščititi občutljive podatke. Banke, vlade in zdravstvene ustanove že preizkušajo QKD za neprebojno šifriranje ključnih povezav. Z rastjo kvantnih omrežij bomo priča vzponu kvantnih oblakov – varnih omrežij, kjer bo mogoče do kvantnih računalnikov dostopati na daljavo, pri čemer bo prepletenost zagotavljala zasebnost. Končni cilj je popoln kvantni internet, ki bo povezal kvantne naprave po vsem svetu in omogočil dosežke, kot so slepo kvantno računalništvo (izvajanje izračunov na oddaljenem kvantnem strežniku z zagotovljeno zasebnostjo) ter sinhronizacija atomskih ur po svetu z neprimerljivo natančnostjo. Spodnja črta: kvantna komunikacija obljublja internet, odporen proti prisluškovanju, s čimer bo zaščitila našo prihodnjo digitalno infrastrukturo tudi pred kvantnimi računalniki, ki bi lahko razbili današnje šifriranje.
Kvantno zaznavanje: neprimerljiva natančnost in novi mejniki
Kvantno zaznavanje uporablja kvantne pojave za merjenje fizikalnih količin z izjemno občutljivostjo in natančnostjo, daleč onkraj zmožnosti običajnih senzorjev. Z izkoriščanjem učinkov, kot sta superpozicija in prepletenost, lahko kvantni senzorji zaznajo najmanjše spremembe v poljih, silah in času. Nedavni napredki prinašajo zmogljivosti senzorjev, ki zvenijo skoraj kot znanstvena fantastika:
- Slikanje atomov in polj na atomski ravni: Sredi leta 2024 je mednarodna ekipa pod vodstvom Forschungszentrum Jülich v Nemčiji predstavila prvi kvantni senzor na svetu za “atomski svet” – senzor, ki lahko zazna električna in magnetna polja z prostorsko ločljivostjo desetine angstrema (10^−10 m), približno v velikosti posameznega atoma fz-juelich.de. To so dosegli tako, da so na konico vrstičnega mikroskopa pritrdili eno samo molekulo in uporabili njen kvantni spin za zaznavanje polj na izjemno majhni razdalji fz-juelich.de. “Ta kvantni senzor je prelomnica, saj omogoča slike materialov, bogate kot MRI, hkrati pa postavlja nov standard prostorske ločljivosti,” je povedal dr. Taner Esat, vodilni avtor fz-juelich.de. Z drugimi besedami, lahko vizualizirajo elektromagnetne pokrajine znotraj materialov atom za atomom – sposobnost, ki bo revolucionirala naše razumevanje materialov, katalize in nanoelektronike. To orodje lahko preiskuje napake v kvantnih čipih, preslika atome v polprevodniku ali celo pregleda biomolekule, vse z neprimerljivo podrobnostjo.
- Paralelno kvantno zaznavanje in boljše meritve: Konec leta 2024 so znanstveniki iz Oak Ridge National Lab (ORNL) poročali o novi platformi za kvantno izboljšano zaznavanje, ki uporablja stisnjeno svetlobo za izboljšanje občutljivosti več senzorjev hkrati ornl.gov. S pošiljanjem posebej koreliranih fotonov (dvojni žarki svetlobe s kvantno povezanimi lastnostmi šuma) v štiri-senzorsko matriko so dosegli sočasno izboljšanje občutljivosti za približno 23 % na vseh senzorjih v primerjavi s klasičnimi omejitvami ornl.gov. To je ena prvih demonstracij paralelnega kvantnega zaznavanja, kjer je več lokacij hkrati preiskanih s kvantno prednostjo. »Običajno uporabite [kvantne] korelacije za izboljšanje meritve… Mi smo združili tako časovne kot prostorske korelacije, da smo preiskali več senzorjev hkrati in dosegli sočasno kvantno izboljšanje za vse,« je pojasnil Alberto Marino iz ORNL ornl.gov. Ta pristop bi lahko bil ključen za aplikacije, kot je zaznavanje temne snovi, kjer je treba velike matrike senzorjev potisniti onkraj klasične občutljivosti ornl.gov. Lahko pa omogoči tudi hitrejše kvantno slikanje in medicinsko diagnostiko z zajemom več podatkovnih točk naenkrat.
- Kvantni senzorji v vsakdanjem življenju: Kvantne zaznavne tehnologije prav tako dozorevajo za uporabo v resničnem svetu. Na primer, kvantni magnetometri na osnovi diamantnih centrov dušik-vakanca (NV) lahko zdaj zaznajo šibke magnetne signale nevronske aktivnosti v možganih ali prisotnost redkih mineralov pod zemljo, kar je bilo prej nemogoče brez ogromnih naprav. Senzorji z interferometrom ultrahladnih atomov se preizkušajo na terenu za navigacijske sisteme, ki ne temeljijo na GPS-u, saj merijo drobne spremembe v inerciji in gravitaciji za izjemno natančno sledenje gibanju. In napredek pri atomski uri še naprej podira rekorde: današnje najboljše optične rešetkaste ure so tako natančne, da lahko izmerijo Einsteinovo gravitacijsko dilatacijo časa pri višinski razliki le enega milimetra, zaznavajoč, kako čas teče malenkost počasneje bližje Zemljini gravitacijski jami physicsworld.com. Ta osupljiva natančnost v bistvu spremeni ure v gravitacijske senzorje in bi lahko vodila do novih geodetskih tehnik (kartiranje gostote Zemlje s pomočjo dilatacije časa).
Kaj sledi? Kvantni senzorji so tik pred tem, da preoblikujejo številne industrije. V zdravstvu bi SQUID magnetometri in senzorji na osnovi diamantov lahko omogočili ultra-visoko ločljivostne MRI posnetke ali vmesnike med možgani in stroji z zaznavanjem majhnih biomagnetnih polj. V navigaciji in geologiji lahko kvantni gravimetri in pospeškomeri omogočijo navigacijo neodvisno od GPS za letala in podzemno raziskovanje z zaznavanjem gravitacijskih anomalij ali sprememb v gibanju. Nacionalna obramba bo uporabljala kvantne senzorje za zaznavanje prikritih objektov ali podzemnih objektov (z opazovanjem subtilnih sprememb v gravitaciji ali magnetnih poljih). Tudi iskanje temne snovi in gravitacijskih valov ima koristi – izjemna občutljivost kvantnih naprav odpira nova okna v temeljno fiziko. Ko bodo ti senzorji postali bolj kompaktni in robustni, lahko pričakujemo novo ero instrumentov, ki bodo merili svet (in vesolje) z neprimerljivo natančnostjo, kar nam bo omogočilo povratne informacije in zmogljivosti, ki so bile prej preprosto nedosegljive.
Kvantni materiali: Odkritje gradnikov kvantne dobe
Vse zgoraj omenjene napredke omogočajo kvantni materiali – snovi z izjemnimi kvantnomehanskimi lastnostmi, ki omogočajo nove tehnologije. Kvantni materiali vključujejo superprevodnike (ki prevajajo elektriko brez upora), topološke izolatorje (ki prevajajo po robovih, ne pa v notranjosti), kvantne magnete in druge eksotične faze snovi. V preteklem letu so znanstveniki dosegli razburljiva odkritja na področju znanosti o kvantnih materialih, kar nas približuje prebojem, kot so praktični superprevodniki in napake odporni kubiti:
- Topološki superprevodniki – novo stanje snovi: Ena izmed glavnih dosežkov je bila ustvaritev topološkega superprevodnika v kvantnem procesorju Microsoft/UCSB, o katerem smo govorili prej. Z inženiringom hibridnega materiala iz polprevodnika (indijev arzenid) in superprevodnika (aluminij) ter hlajenjem skoraj do absolutne ničle pod posebnimi magnetnimi polji so raziskovalci povzročili novo fazo snovi, ki na svojih koncih gosti Majorana ničelne mode azure.microsoft.com. Ti Majoranini modi so temelj topoloških kubitov, saj shranjujejo kvantne informacije nelokalno (informacija je “razpršena” po materialu in je tako zaščitena). “Skoraj stoletje so ti kvazidelci obstajali le v učbenikih. Zdaj jih lahko ustvarimo in nadzorujemo po želji,” je zapisala Microsoftova ekipa azure.microsoft.com. Uspešna realizacija topološke superprevodne faze ni le preboj v računalništvu, temveč tudi vrhunski dosežek na področju znanosti o materialih – potrditev dolgo teoretiziranega stanja snovi v laboratoriju. Topološki superprevodniki so vznemirljivi, ker bi lahko omogočili elektronske naprave brez energijskih izgub in inherentno robustne kvantne bite. Rezultat letošnjega leta je dokaz koncepta, da je mogoče takšne materiale ustvariti in manipulirati z njimi, kar odpira pot naslednji generaciji kvantne elektronike.
- Nove kvantne faze in »nekonvencionalni« superprevodniki: Raziskovalci odkrivajo tudi naravno prisotne kvantne materiale z nenavadnimi lastnostmi. V enem primeru je ekipa na Univerzi Cornell našla dokaze za »val gostote parov« v spojini, imenovani uranov ditelurid (UTe₂) – v bistvu kristalinsko vzorec elektronskih parov v superprevodniku physics.cornell.edu. To novo stanje je oblika topološke kvantne snovi, kjer se Cooperjevi pari (elektronski pari, odgovorni za superprevodnost) razporedijo v stoječi val namesto v običajni enakomerni kondenzat physics.cornell.edu. »Kar smo zaznali, je novo stanje kvantne snovi – topološki val gostote parov, sestavljen iz spin-tripletnih Cooperjevih parov,« je povedal dr. Qiangqiang Gu in poudaril, da je to prvič, da so takšno stanje opazili physics.cornell.edu. Superprevodniki s spin-tripletom (liho parnostjo), kot je UTe₂, so sveti gral, ker bi lahko naravno podpirali Majoranove mode za kvantno računalništvo physics.cornell.edu. Ta preboj nakazuje, da narava morda skriva kvantne faze, ki jih še nismo videli, z lastnostmi, ki jih bo mogoče izkoristiti v prihodnjih tehnologijah. Medtem pa materiali znanstveniki napredujejo pri sintezi novih 2D materialov (kot je na novo odkrit težkofermionski 2D material CeSiI, ki kaže nenavadno elektronsko obnašanje azonano.compurdue.edu) in pri kombiniranju materialov na domiselne načine – na primer z zlaganjem grafenskih plasti pod »čarobnim kotom« za induciranje superprevodnosti ali z vmesnikom med magneti in superprevodniki za ustvarjanje novih učinkov. Vsak nov kvantni material, ki ga odkrijejo ali ustvarijo, širi paleto orodij, ki jih bodo inženirji imeli za gradnjo kvantnih naprav.
- Materiali za kubite in naprave: Velik del kvantnega inženiringa je odvisen od iskanja materialov, ki lahko gostijo kubite z nizkimi stopnjami napak. V zadnjem letu je bil dosežen napredek na več področjih. Raziskovalci so pokazali, da lahko defekti v širokopasovnih polprevodnikih (kot so praznine v diamantu ali primesi v silicijevem karbidu) služijo kot stabilni kubiti, ki delujejo celo pri sobni temperaturi, kar bi lahko bilo odlično za kvantne senzorje in preproste kvantne procesorje. Drug pristop je pokazal izdelavo kubitov iz redkozemeljskega elementa erbij, vgrajenega v različne kristalne nosilce, kar poudarja, kako izbira materiala vpliva na kvantne lastnosti pme.uchicago.edu. Z raziskovanjem novih nosilnih materialov za znane sisteme kubitov (erbijevi spini, silicijeve kvantne pike itd.) znanstveniki optimizirajo čase koherence in povezljivost. En pomemben mejnik je dosegel Argonne National Lab s pristopom, osredotočenim na materiale: izdelali so nov kubit in dosegli čas koherence 0,1 milisekunde – skoraj 1000-krat daljši od prejšnjega rekorda za to vrsto pme.uchicago.edu. To so dosegli z inovacijami na področju materialov, ki so zmanjšale šum in izolacijo za kubit. Daljša koherenca pomeni, da je mogoče na kubitu izvesti več operacij, preden se informacija izgubi, zato te izboljšave neposredno pomenijo močnejše in zanesljivejše kvantne računalnike. Preprosto povedano, boljši materiali = boljši kubiti.
Kaj sledi? Iskanje revolucionarnih materialov bo še naprej poganjalo kvantno inženirstvo naprej. Glavni cilj je superprevodnik pri sobni temperaturi – material, ki superprevaja brez ekstremnega hlajenja. Takšno odkritje bi bilo prelomno (omogočilo bi brezizgubna električna omrežja, poceni MRI naprave, maglev prevoz in kvantne naprave, ki delujejo pri sobnih pogojih). Leta 2023 je svet dobil vpogled v norijo, ki bi jo lahko povzročil tak preboj, ko je bil material z imenom “LK-99” razglašen za superprevodnika pri sobni temperaturi – povzročil je viralno navdušenje, a je bil hitro ovržen z rigoroznim testiranjem lens.monash.edu, kar nas opominja, da izjemne trditve zahtevajo izjemne dokaze. Čeprav pravi superprevodnik pri sobni temperaturi ostaja nedosežen, se napredek dogaja postopoma: kritične temperature znanih superprevodnikov se počasi zvišujejo, novi spojine (včasih pod visokim pritiskom) pa so pokazale superprevodnost bližje sobnim pogojem. Poleg superprevodnikov znanstveniki aktivno iščejo materiale, ki lahko gostijo bolj robustne kubite (npr. materiale z nizkim jedrskim spinom za daljšo koherenco ali topološke materiale za kubite, odporne na napake), kot tudi materiale, ki lahko na zahtevo oddajajo posamezne fotone ali prepletene fotone za komunikacijo. Raziskave kvantnih materialov so ključni steber celotnega področja – vsako novo odkritje lahko vpliva na boljše kvantne naprave in aplikacije. V prihodnjih letih pričakujte odkritja presenetljivih novih faz snovi in več “dizajnerskih” materialov (kot je Microsoftov “topokonduktor” azure.microsoft.com ali druge inženirske strukture), ki bodo odklenili zmogljivosti, ki si jih še ne znamo predstavljati.
Zaključek: Kvantno-inženirska prihodnost
Od izjemno zmogljivih računalnikov do neprebojne komunikacije, izjemno natančnih senzorjev in novih stanj snovi – preboji v kvantnem inženirstvu niso le intelektualno vznemirljivi – napovedujejo preobrazbene spremembe za družbo v ne tako oddaljeni prihodnosti. Ključno je, da se ta podpodročja ne razvijajo v izolaciji: napredek na enem pogosto spodbuja napredek na drugih. Na primer, boljši kvantni materiali omogočajo stabilnejše kubite; izboljšani kvantni računalniki pomagajo pri načrtovanju novih materialov; kvantna omrežja bodo povezala kvantne računalnike in povečala njihovo moč; kvantni senzorji pa bodo pomagali pri karakterizaciji materialov in naprav na atomski ravni. Priča smo zgodnjim fazam kroga inovacij z vzajemnim učinkom.
Za splošno javnost bodo posledice teh ezoteričnih napredkov postale oprijemljive na različne načine:
- Zdravstvo in kemija: Kvantni računalniki bi lahko modelirali zdravila in proteine z atomsko natančnostjo, kar bi vodilo do zdravil in materialov, zasnovanih na računalnikih namesto s poskusi in napakami. Kvantni senzorji bi lahko omogočili zgodnje odkrivanje bolezni preko majhnih signalov biomarkerjev ali naprednega slikanja možganov.
- Kibernetska varnost in zasebnost: Kvantna komunikacija bo verjetno zavarovala naše finančne transakcije in zaupne podatke s kvantnim šifriranjem, ki ga hekerji (tudi s kvantnimi računalniki) ne bodo mogli razbiti. Občutljive poslovne ali diplomatske komunikacije bomo lahko izvajali z absolutno zaupnostjo, ki jo zagotavljajo zakoni fizike.
- Računalništvo in umetna inteligenca: Ko bodo kvantni procesorji začeli reševati probleme optimizacije in strojnega učenja, bomo videli izboljšave na vseh področjih – od logistike dobavnih verig do modeliranja podnebja in zmogljivosti umetne inteligence. Nekatere naloge, s katerimi se današnja umetna inteligenca spopada, bi lahko rešili hibridni kvantno-klasični algoritmi, ki bodo delovali na prihodnjih kvantno-pospešenih oblačnih platformah.
- Senzorika in navigacija: Naši telefoni in vozila bodo morda nekoč vsebovali kvantne žiroskope in pospeškomere, ki bodo omogočali izjemno natančno navigacijo tudi, ko GPS ne bo na voljo. Kvantni gravitacijski senzorji bi lahko preiskovali podzemlje za minerale ali spremljali vulkane in prelome z zaznavanjem sprememb gostote. Morda bomo celo imeli nosljive naprave, ki bodo s kvantnimi senzorji neinvazivno spremljale naše zdravje.
- Energija in industrija: Kvantni materiali, kot so visokotemperaturni superprevodniki, bi lahko revolucionirali električno omrežje in transport z vodniki brez izgub, učinkovitim magnetnim lebdenjem in boljšimi baterijami (kvantno računalništvo se že uporablja za iskanje izboljšane kemije baterij time.com). Industrijski procesi bi lahko imeli koristi od kvantno optimiziranih zasnov in katalizatorjev.
Skratka, kvantno inženirstvo je na pragu, da postane temelj tehnologije 21. stoletja, tako kot so bile klasične elektronike v 20. stoletju. Ker se ti preboji odvijajo z izjemno hitrostjo, nas približujejo prihodnosti, kjer bodo kvantne naprave reševale pomembne probleme, varovale naše podatke in razkrivale globlje resnice o vesolju. To je razburljiv čas na meji znanosti – kvantna prihodnost ni več špekulacija, temveč se gradi prav zdaj, preboj za prebojem.
Viri:
- Google Quantum AI – Hartmut Neven, “Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip,” Google Blog (dec. 2024) blog.google.
- University of California, Santa Barbara – Sonia Fernandez, “‘We have created a new state of matter’: New topological quantum processor marks breakthrough in computing,” (20. februar 2025) universityofcalifornia.edu. Severozahodna univerza – Amanda Morris, “Prva demonstracija kvantne teleportacije prek zasedenih internetnih kablov,” (20. dec. 2024) news.northwestern.edu.
- Deutsche Telekom T-Labs – Verena Fulde, “Preboj za kvantni internet – iz laboratorija v resnični svet,” (15. apr. 2025) telekom.com.
- Forschungszentrum Jülich – Sporočilo za javnost, “Kvantni senzor za atomski svet,” (1. avg. 2024) fz-juelich.de.
- Oak Ridge National Lab – Mark Alewine, “Raziskovalci razkrivajo kvantno prednost, ki bi lahko napredovala prihodnje senzorske naprave,” ORNL News (16. okt. 2024) ornl.gov.
- Cornell University – “Preboj identificira novo stanje topološke kvantne snovi,” Cornell Chronicle (10. jul. 2023) physics.cornell.edu.
- University of Chicago PME – “Svetovni kvantni dan 2024: Najnovejši razvoj v kvantni znanosti in tehnologiji,” (12. apr. 2024) pme.uchicago.edu.
- Revija Time – Vimal Kapur & Rajeeb Hazra, “Kvantna doba se je že začela,” (sept. 2024) time.com.
- Nature/ACS Publications – Dokazi, ki ovržejo trditev o LK-99 superprevodnosti pri sobni temperaturi (2023) lens.monash.edu.
