Kvantne tehnologije temeljijo na zakonih fizike, ki jih raziskuje znanstvena veda pod imenom kvantna mehanika. Za svoje delovanje izkoriščajo kvantne učinke za zbiranje, obdelavo in prenos informacij. Ne gre za nekaj novega, saj so se začele uporabljati že z jedrsko energijo in postavile temelje za polprevodnike, ki omogočajo delovanja današnjih pametnih telefonov. Na podlagi razumevanja delovanja posameznih delcev se v zadnjem obdobju na področju kvantnih tehnologij dogajajo prelomne novosti. Kvantne tehnologije so širši pojem, ki zajemajo ožja področja, kot so kvantna senzorika, kvantno računalništvo in kvantna komunikacija. V praksi se posamezne kvantne tehnologije pogosto zelo prepletajo. Ob omembi besede »kvantno« danes najprej pomislimo na kvantno računalništvo. Čeprav kvantno računalništvo res pritegne največ pozornosti in naložb, se pomembne raziskave izvajajo tudi na področju kvantne senzorike in kvantne komunikacije. Kvantna senzorika omogoča izredno natančne meritve z veliko občutljivostjo. Kvantna komunikacija omogoča varen prenos informacij. Kvantno računalništvo pa bo reševalo probleme, ki so prezahtevni za danes najboljše klasične računalnike in superračunalnike. Že na samem začetku ugotovimo, da gre pri kvantnih tehnologijah za popolnoma nov pogled. Kvantno računalništvo pa ni le hitrejša različica klasičnega računalništva, temveč gre za popolnoma drugačno napravo, ki zahteva drugačen pristop in ponudi drugačen način reševanja najbolj kompleksnih problemov. Kot da bi rekli, da je žarnica le zmogljivejša oblika sveče. Predstavili smo različne potenciale kvantnih tehnologij v različnih gospodarskih sektorjih s praktičnimi primeri ter orisali predvideno smer raziskav in razvoja kvantnih tehnologij. Dotaknili smo se zasebnih in javnih investicij ter geopolitičnega pomena kvantnih tehnologij.
Kvantne tehnologije temeljijo na zakonih fizike, ki jih raziskuje znanstvena veda pod imenom kvantna mehanika. Za svoje delovanje izkoriščajo kvantne učinke za zbiranje, obdelavo in prenos informacij. Ne gre za nekaj novega, saj so se začele uporabljati že z jedrsko energijo in postavile temelje za polprevodnike, ki omogočajo delovanja današnjih pametnih telefonov. Na podlagi razumevanja delovanja posameznih delcev se v zadnjem obdobju na področju kvantnih tehnologij dogajajo prelomne novosti. Kvantne tehnologije so širši pojem, ki zajemajo ožja področja, kot so kvantna senzorika, kvantno računalništvo in kvantna komunikacija. V praksi se posamezne kvantne tehnologije pogosto zelo prepletajo. Ob omembi besede »kvantno« danes najprej pomislimo na kvantno računalništvo. Čeprav kvantno računalništvo res pritegne največ pozornosti in naložb, se pomembne raziskave izvajajo tudi na področju kvantne senzorike in kvantne komunikacije. Kvantna senzorika omogoča izredno natančne meritve z veliko občutljivostjo. Kvantna komunikacija omogoča varen prenos informacij. Kvantno računalništvo pa bo reševalo probleme, ki so prezahtevni za danes najboljše klasične računalnike in superračunalnike. Že na samem začetku ugotovimo, da gre pri kvantnih tehnologijah za popolnoma nov pogled. Kvantno računalništvo pa ni le hitrejša različica klasičnega računalništva, temveč gre za popolnoma drugačno napravo, ki zahteva drugačen pristop in ponudi drugačen način reševanja najbolj kompleksnih problemov. Kot da bi rekli, da je žarnica le zmogljivejša oblika sveče. Predstavili smo različne potenciale kvantnih tehnologij v različnih gospodarskih sektorjih s praktičnimi primeri ter orisali predvideno smer raziskav in razvoja kvantnih tehnologij. Dotaknili smo se zasebnih in javnih investicij ter geopolitičnega pomena kvantnih tehnologij.
Kraj prošlog veka označio je nastanak informacione tehnologije (IT) – granu, koja se bavi proizvodnjom, obradom, skladištenjem i prenosom informacija. IT je postala sastavni deo globalnog ekonomskog sistema i prilično značajan sektor privrede. Zavisnost savremenog društva od IT je toliko velika da propusti u informacionim sistemima mogu dovesti do neslućenih incidenata. Telekomunikacije su ključna IT industrija. Treba naglasiti da su informacije u toku transporta veoma podložne raznim vrstama zloupotreba. Stoga je problem zaštite informacija u sferi telekomunikacija veoma značajan zadatak. Kriptologija kao nauka, a posebno njen deo – kriptografija upravo se bave ovom problematikom. Kvantna kriptografija je relativno novija oblast koja obezbeđuje sigurne komunikacije između poši- ljaoca i primaoca informacije, bazirane na postulatima i principima kvantne mehanike. Cilj rada je da se prikažu osnovne fizičke postavke kvantne distribucije ključa za kodiranje informacija.
Ljudje premalo dajemo na varnost komunikacij in premalo vemo o njej. S skoraj vsemi vsakdanjimi opravili (na primer prijava na splet, telefonski klici) pustimo nekaj informacij, da so lahko dostopne komurkoli, ki ima interes izvedeti podatke o nasem zasebnem življenju, kar me je vzpodbudilo o razmisljanju, kako se izogniti prisluskovalcem oziroma kako ugotoviti, da je bilo sporocilo prestreženo.
Kvantno sifriranje omogoca varno komuniciranje, saj poteka prenos sifrirnega kljuca s pomocjo nedeljivega delca – fotona, kar pomeni, da bo vsak vdor oziroma prisluskovanje opazno.
V nalogi je opisano delovanje protokolov za kvantno izmenjavo kljuca ter njihovi zacetki, kateri segajo v zgodnje 20. stoletje. V osnovi jih je vecina izpeljana iz prvega najbolj ucinkovitega protokola BB84. Seveda so se pa ob hitrem napredku, pojavljale tudi pomanjkljivosti, katere so hekerji izkoristili. Ampak so stevilne slabosti odpravili in s tem dokazali, da je kvantna komunikacija trdna resitev za zascito telekomunikacij naslednje generacije, tako pri velikih gigantskih podjetjih, katere uporabljajo ogromne kolicine osebnih podatkov, kot tudi pri zasebnem klepetu s prijatelji.
Kroz problem mjerenja Kvantna mehanika se suocava s pomirbom kolapsa složene teoretske evolucije sustava u jedinstveni eksperimentalno zamijeceni ishod. U posljednjih 75 godina razvijen je citav niz tumacenja formalizma teorije kako bi se objasnio raskorak između teoretski predviđenog i iskustveno zamijecenog, a da pri tome vrijednost same teorije nije eksperimentalno dovedena u pitanje. Pokusaji tumacenja formalizma mogu se ugrubo podijeliti u metafizicka i epistemoloska objasnjenja. Dok metafizicka postuliraju postojanje dodatne strukture na mikro-nivou (koja je u pravilu nedostupna motrenju), epistemoloska nastoje pronaci razloge za fundamentalna ogranicenja covjekove spoznajne sposobnosti na mikro-nivou. Međutim, metafizicka objasnjenja nemaju dodatnog empirijskog sadržaja u odnosu na epistemoloska. Jedno suvremeno epistemolosko tumacenje, ono C. A. Fuchsa, temelji se na novim spoznajama iz podrucja Kvantne informacijske teorije, posebice recentne pojave teleportacije. Na osnovi te i slicnih pojava Fuchs zakljucuje da kvantno stanje nije potpun niti objektivan opis zbiljnog fizickog mikro-sustava. Takvog opisa nema u formalizmu Kvantne mehanike. Kvantna stanja samo su racionalne subjektivne procjene fizicara eksperimentatora o posljedicama njezinih buducih mjernih intervencija na određenom fizickom sustavu. Pri derivaciji ovakvih zakljucaka Fuchs se koristi principnom metodologijom razvoja fizikalnih teorija, onako kako Einstein opisuje vlastite postupke pri razvoju Specijalne i Opce relativnosti. Fuchs iz temelja razvija djelomicno modificirani formalizam teorije, za koji tvrdi da nije opterecen problematicnim temeljima kao standardni formalizam. Ukratko se razmatra opca uspjesnost ovog Einsteinovog metodoloskog modela, posebno u svjetlu kritike Browna i Pooleya, te Saundersova opca kritika epistemickih interpretacija formalizma. Kao jedinu svoju metafizicku pretpostavku Fuchs navodi intrinzicnu osjetljivost zbilje na mjerne intervencije, svojstvo koje onemogucuje potpuno sigurno predviđanje buducih mjernih ishoda i stjecanje potpune informacije o sustavima na mikro nivou. Formalnu manifestaciju ove pretpostavke on nalazi u izmjeni standardne Bayesove statistike, izlucujuci, na taj nacin, iz nje novi formalizam Kvantne mehanike. Ovakav postupak, međutim, slici na uklanjanje kumulativnosti iz formalizma Bayesove statistike, koje provodi Williamson kako bi pružio formalisticku potkrjepu svojem modelu znanja kao mentalnog stanja. Uloga koju Williamson pripisuje znanju podudarna je sa pretpostavljenim stanjima Fuchsovih hipotetskih fizicara dok koriste formalizam Kvantne mehanike pri provedbi mjernih intervencija. Postavlja se pitanje je li navodna intrinzicna osjetljivost zbilje na mikro-nivou, samo formalna posljedica potrebe uklanjanja kumulativnosti iz operativne verzije Bayesove statistike, sto pak povlaci nužno odustajanje od teoretske mogucnosti potpune sigurnosti pri predviđanju buducih ishoda. Fuchsov model trenutno ne sadrži dodatne empirijske sadržaje vezane uz danu metafizicku pretpostavku.
Sigurnost informacijsko komunikacijskih tehnologija, posebice racunalnih sustava, uvijek je važno pitanje. U zastiti podataka danas se najcesce koriste klasicni kriptografski sustavi. Razvojem kvantne teorije 80-ih godina proslog stoljeca javlja se ideja da bi kvantna teorija mogla dati modele racunala koji bi bili znatno jaci od klasicnih. Iako kvantna racunala jos uvije nisu prakticno konstruirana, njihov razvoj utjecao je na razvoj kvantne kriptografije. Razlika između klasicne i kvantne kriptografije je u nacinu obrade podataka. U ovom radu biti ce opisane prednosti i nedostaci kvantne kriptografije i mogucnosti zastite racunalnih sustava u trenutku pojave novih kvantnih racunala.
Kroz problem mjerenja Kvantna mehanika se suocava s pomirbom kolapsa složene teoretske evolucije sustava u jedinstveni eksperimentalno zamijeceni ishod. U posljednjih 75 godina razvijen je citav niz tumacenja formalizma teorije kako bi se objasnio raskorak između teoretski predviđenog i iskustveno zamijecenog, a da pri tome vrijednost same teorije nije eksperimentalno dovedena u pitanje. Pokusaji tumacenja formalizma mogu se ugrubo podijeliti u metafizicka i epistemoloska objasnjenja. Dok metafizicka postuliraju postojanje dodatne strukture na mikro-nivou (koja je u pravilu nedostupna motrenju), epistemoloska nastoje pronaci razloge za fundamentalna ogranicenja covjekove spoznajne sposobnosti na mikro-nivou. Međutim, metafizicka objasnjenja nemaju dodatnog empirijskog sadržaja u odnosu na epistemoloska. Jedno suvremeno epistemolosko tumacenje, ono C. A. Fuchsa, temelji se na novim spoznajama iz podrucja Kvantne informacijske teorije, posebice recentne pojave teleportacije. Na osnovi te i slicnih pojava Fuchs zakljucuje da kvantno stanje nije potpun niti objektivan opis zbiljnog fizickog mikro-sustava. Takvog opisa nema u formalizmu Kvantne mehanike. Kvantna stanja samo su racionalne subjektivne procjene fizicara eksperimentatora o posljedicama njezinih buducih mjernih intervencija na određenom fizickom sustavu. Pri derivaciji ovakvih zakljucaka Fuchs se koristi principnom metodologijom razvoja fizikalnih teorija, onako kako Einstein opisuje vlastite postupke pri razvoju Specijalne i Opce relativnosti. Fuchs iz temelja razvija djelomicno modificirani formalizam teorije, za koji tvrdi da nije opterecen problematicnim temeljima kao standardni formalizam. Ukratko se razmatra opca uspjesnost ovog Einsteinovog metodoloskog modela, posebno u svjetlu kritike Browna i Pooleya, te Saundersova opca kritika epistemickih interpretacija formalizma. Kao jedinu svoju metafizicku pretpostavku Fuchs navodi intrinzicnu osjetljivost zbilje na mjerne intervencije, svojstvo koje onemogucuje potpuno sigurno predviđanje buducih mjernih ishoda i stjecanje potpune informacije o sustavima na mikro nivou. Formalnu manifestaciju ove pretpostavke on nalazi u izmjeni standardne Bayesove statistike, izlucujuci, na taj nacin, iz nje novi formalizam Kvantne mehanike. Ovakav postupak, međutim, slici na uklanjanje kumulativnosti iz formalizma Bayesove statistike, koje provodi Williamson kako bi pružio formalisticku potkrjepu svojem modelu znanja kao mentalnog stanja. Uloga koju Williamson pripisuje znanju podudarna je sa pretpostavljenim stanjima Fuchsovih hipotetskih fizicara dok koriste formalizam Kvantne mehanike pri provedbi mjernih intervencija. Postavlja se pitanje je li navodna intrinzicna osjetljivost zbilje na mikro-nivou, samo formalna posljedica potrebe uklanjanja kumulativnosti iz operativne verzije Bayesove statistike, sto pak povlaci nužno odustajanje od teoretske mogucnosti potpune sigurnosti pri predviđanju buducih ishoda. Fuchsov model trenutno ne sadrži dodatne empirijske sadržaje vezane uz danu metafizicku pretpostavku.
Sigurno ste se već susreli s pojmom kvantno računalo, tj.s novim tipom računala koje bi u odnosu na klasično računalo trebalo biti superiorno u obavljanju specifičnih zadataka kao što su dešifriranje kriptiranih podataka, simulacija kvantnih procesa u fizici čvrstoga stanja i kemiji, u strojnom učenju, itd.Sam koncept kvantnog računala počeo se razvijati tijekom 80-tih godina te su do danas uspješno formulirani različiti algoritmi koji se temelje na principima kvantne mehanike.Medutim, razvoj uredaja na kojima bi se ti algoritimi trebali izvršavati ne teče baš tako glatko.Za razliku od klasičnih računala koja podatke spremaju u bitove s dobro definiranim stanjima 0 i 1, kvantna računala koriste qubitove koji mogu biti i u stanju izmedu 0 i 1. Pokazalo se da je tehnički vrlo zahtjevno napraviti veliki broj qubitova i držati ih u stanjima superpozicije tijekom izvodenja algoritma.Kvantni procesor radi na vrlo niskim temperaturama, a stanja superpozicije vrlo lako mogu uništiti različiti tipovi šumova kao što su termičke vibracije, elektromagnetske smetnje, kozmičke zrake i slično.U praksi veliki broj qubitova mora biti rezerviran za ispravljanje grešaka uzrokovanih šumom, pa ih malo ostaje za same izračune, tako da jedan od sugovornika u članku iz časopisa Nature iz 2023.godine pesimistično kaže da kvantna računala trenutno nisu korisna ni za što [1].Naravno, uz odgovarajuće inovacije i tehnički napredak kvantna računala bi mogla odjednom postati vrlo korisna.Nemojte zaboraviti da kvantne algoritme već imamo.U ovom članku nećemo se baviti tehničkim detaljima rada takvog uredaja, nego ćemo se koncentrirati na principe kvante mehanike i kako iz njih slijedi ideja za kvantno računanje.Započet ćemo s osnovama linarne algebre, povezati sve s qubitovima i superpozicijom stanja te u drugom dijelu pogledati kvantna vrata koja u specijalnim slučajevima imaju analogone u klasičnim logičkim vratima i spomenuti neka koja nemaju.Pritom ćemo u nekim dijelovima slijediti udžbenik Introduction to Quantum Computing autora H. Y. Wong-a [2].