Začal Mezinárodní rok kvantové vědy a technologií. Co byste o nich měli vědět?

Kvantová revoluce: Od teorie k aplikacím

V roce 2025 uplyne sto let od formulace kvantové mechaniky, teorie, která změnila naše chápání fyzikálního světa. Valné shromáždění OSN proto rok 2025 vyhlásilo Mezinárodním rokem kvantové vědy a technologií. Kvantová mechanika vysvětlila fundamentální procesy v mikrosvětě a položila základ moderním technologiím, jako jsou lasery, polovodiče či LED diody. Dnes však vstupujeme do éry, kdy kvantová fyzika odemyká dosud plně nevyužitý potenciál materiálových vlastností a umožňuje vývoj zařízení s revolučními vlastnostmi.

Co jsou kvantové materiály?

Kvantové materiály vykazují vlastnosti, které nelze vysvětlit klasickou fyzikou. Patří sem například supravodivost, kvantová provázanost, topologická izolace či magnetická anizotropie. Díky těmto jevům mohou například supravodiče vést elektrický proud bez odporu, což umožňuje vývoj energeticky úsporných technologií, jako je třeba magnetická rezonance nebo kvantové počítače.

„Kvantové materiály nám umožňují vytvářet zařízení, která by za normálních podmínek vůbec nemohla existovat. Jsou to materiály, jejichž vlastnosti nejsou dány pouze chemickým složením, ale především tím, jak se chovají na úrovni jednotlivých atomů a částic,“ vysvětluje Petr Kavalíř, ředitel výzkumného centra NTC při Západočeské univerzitě v Plzni. „Kvantové materiály tedy nejsou jen teoretickou záležitostí, ale představují základní stavební kameny, které umožňují vývoj kvantových technologií, jež mají potenciál přetvořit celé oblasti průmyslu a vědy,“ dodává Ján Minár, zástupce ředitele NTC pro výzkum a vedoucí týmu Pokročilých a kvantových materiálů.

Kvantové technologie a jejich aplikace

Kvantové technologie využívají fenomény, jako je superpozice či kvantové provázání, které umožňují revoluční aplikace v několika klíčových oblastech. Jsou to například kvantové počítače, které se od těch klasických zásadně liší. Výpočetní zařízení pracující s qubity namísto klasických bitů umožňují paralelní výpočty, což otevírá nové možnosti pro optimalizaci složitých systémů a simulace molekulárních struktur.

„Kvantové počítače mají schopnost řešit problémy, které jsou pro dnešní technologie neproveditelné. Ale jejich vývoj čelí velkým výzvám, jako je redukce chybovosti, ochrana qubitů před vnějšími vlivy a čtení výsledků výpočtů bez jejich poškození,“ říká Petr Kavalíř. Dále se jedná o kvantovou kryptografii. Kvantové klíče využívají princip kvantového provázání, což znamená, že jakýkoliv pokus o odposlech okamžitě změní stav komunikace a tím odposlech znemožní. Další využití kvantových materiálů se skrývá v kvantových senzorech, které umožňují velmi přesné měření změn v magnetických polích, teplotě nebo tlaku.

Tato technologie nachází uplatnění nejen v geofyzikálním výzkumu, ale také v medicíně, kde může pomoci při diagnostice a sledování biologických procesů. V energetice by kvantové materiály, jako jsou supravodiče, mohly přispět k efektivnějšímu přenosu elektrické energie bez ztrát, což by změnilo současné energetické systémy. Kvantové technologie tedy nabízejí široké možnosti napříč různými obory, od výpočtů po bezpečnost a zdravotnictví, a jejich potenciál se stále více ukazuje jako klíčový pro budoucí inovace.

Kvantový výzkum ve světě a v Česku

Výzkum kvantových technologií a materiálů je dynamickou oblastí, která přitahuje pozornost vědeckých týmů po celém světě. Spojené státy, Velká Británie, Japonsko, Indie, Čína nebo Austrálie do něj intenzivně investují, přičemž zvláštní důraz kladou i na materiálový výzkum. Velká Británie má kvantovou strategii již více než deset let – zaměřuje se nejen na infrastrukturu, ale i na rozvoj lidských zdrojů.

Také Česká republika si uvědomuje důležitost kvantových technologií a podporuje jejich rozvoj na všech úrovních. V rámci Evropské unie proto vznikl tým národních koordinátorů pod DG CONNECT, který připravuje celoevropskou kvantovou strategii. „V loňském roce navštívila špičková česká pracoviště zabývající se kvantovými technologiemi zmocněnkyně pro kvantové technologie USA Prineha Narang. Na NTC jsme s ní stále v kontaktu, probíhají online setkání a diskutujeme možnosti budoucí spolupráce,“ říká Ján Minár.

Česko se aktivně podílí na rozvoji kvantových technologií a vědecké spolupráci s předními světovými institucemi. Důležitým milníkem bude instalace prvního kvantového počítače v Česku, který během letošního roku získá superpočítačové centrum IT4Innovations v Ostravě. Toto zařízení, jehož pořízení podpořila Evropská unie prostřednictvím konsorcia LUMI-Q, umožní vědeckým pracovištím i průmyslovým partnerům testovat pokročilé kvantové algoritmy a aplikace.

Kvantovým materiálům se v Česku věnují další významné výzkumné instituce včetně UPOL, ČVUT, VŠCHT, UK, MUNI, VUT,  Akademie věd a Západočeské univerzity v Plzni. Právě na ZČU vznikl projekt Kvantové materiály pro udržitelné technologie (QM4ST), na němž se podílí výzkumné centrum NTC jako hlavní řešitel, společně s Fakultou aplikovaných věd ZČU a dalšími čtyřmi předními pracovišti z celé ČR.

„Projekt jsme získali v říjnu 2023 v prestižní výzvě Špičkový výzkum Operačního programu Jan Amos Komenský a je financován částkou 500 milionů Kč. Pracovat na něm budeme pět let a jeho náplň napovídá už samotný název,“ říká Ján Minár. „Podařilo se nám propojit teoretický a experimentální výzkum pod jednou střechou – teoretické výpočty a praktická měření se musí vzájemně doplňovat. Jsem pyšný na to, že jsme vytvořili unikátní mezinárodní tým, který v této synergii vyniká,“ dodává.

Významnou roli v jejich bádání hrají špičkové technologie. „Od roku 2019 máme na NTC k dispozici přístroj SARPES – fotoelektronový emisní spektrometr se spinovým a úhlovým rozlišením, který nám umožňuje studovat nejen energii a hybnost elektronů, ale také jejich kvantovou vlastnost – spin. Díky novému projektu jsme nyní pořídili přístroj NanoESCA. Jeho instalace právě probíhá a plánujeme jej propojit se SARPESem. Když to hodně zjednoduším, tak SARPES nám poskytuje pohled na materiály, jako bychom se na ně dívali okem, kdežto přístroje NanoESCA nám umožňuje pohled,  jako bychom se dívali mikroskopem. NanoESCA bude jediný přístroj svého druhu nejnovější generace v České republice,“ vysvětluje s hrdostí Ján Minár.

On a jeho tým se také podíleli na publikaci v časopisu Nature, která potvrdila existenci altermagnetismu. Tento článek následně časopis Science zařadil mezi deset přelomových publikací roku 2025. Za objevem altermagnetismu stojí tým Tomáše Jungwirtha z Fyzikálního ústavu Akademie věd ve spolupráci s vědci z Mohučské univerzity.

Budoucnost kvantových technologií

Budoucnost kvantových technologií je bezpochyby fascinující, ale zároveň plná výzev. Kvantové technologie, především kvantové počítače, budou v následujících desetiletích zásadně měnit způsob, jakým žijeme, pracujeme a komunikujeme. Ten, kdo je bude ovládat, získá neuvěřitelnou moc. Kromě možnosti zrychlit výpočty na úroveň, kterou si dnes nedokážeme ani představit, otevřou kvantové technologie i zcela nové možnosti v oblasti AI, šifrování a bezpečnosti. Budeme moci dokonale chránit naše osobní údaje a zároveň rozšifrovat i ty nejkomplexnější šifry současnosti. Tato revoluce ale bude mít dalekosáhlé důsledky nejen pro obranu států, ale i pro každodenní život běžných občanů. Kvantová kryptografie umožní zajištění naprosto bezpečných komunikací, což je pro svět bezpečnosti a finančního sektoru neocenitelné.

Svět se nachází uprostřed urputného závodu o ovládnutí těchto technologií. S každým dnem se technologie vyvíjí rychleji a ti, kteří budou v této oblasti lídry, získají rozhodující ekonomickou a geopolitickou výhodu. „Proto je zásadní, abychom se nebáli investovat do kvantových technologií, podpořili výzkumné instituce i vznik startupů, které se těmito technologiemi zabývají, a zaměřili se na vzdělávání mladých lidí, kteří budou připraveni na tento nový svět,“ říká Petr Kavalíř, který se pařížského zahájení Mezinárodního roku kvantové vědy a technologií zúčastnil osobně.

„Setkání s předními osobnostmi oboru, včetně nositelů Nobelovy ceny Anne L'Huiller, Alaina Aspecta  a Williama D. Phillipse, je inspirující příležitostí k diskusi o nejnovějších objevech a jejich praktickém využití. Společně se zamýšlíme nad trendy i budoucností kvantového výzkumu a inovací,” říká Petr Kavalíř a závěrem dodává:  „Je klíčové, abychom se aktivně zapojili do evropského a globálního výzkumu, spolupracovali s předními světovými technologickými firmami a výzkumnými týmy a využili tak obrovský potenciál, který kvantové technologie nabízí. Důležité je také vytvářet prostředí, které podporuje inovace a udržitelnost v této oblasti.“ 

Zdroj: Západočeská univerzita v Plzni, Úřad vlády

Petr Kavalíř je odborníkem na řízení výzkumu a vývoje, transfer technologií a korporátní management. Má bohaté zkušenosti s vedením výzkumných projektů, podporou inovací a rozvojem strategických partnerství na národní i mezinárodní úrovni. V současnosti zastává pozici ředitele výzkumného centra Nové technologie – výzkumné centrum (NTC) při Západočeské univerzitě v Plzni. Je členem Výboru pro inovace a technologie v rámci Business at OECD a působí v expertní skupině pro výzkum, vývoj a inovace Svazu průmyslu a dopravy ČR. Zároveň je součástí týmu ministra pro vědu, výzkum a inovace jako národní zmocněnec pro kvantové technologie.

Ján Minár vystudoval teoretickou a fyzikální chemii na Technické univerzitě v Bratislavě, získal doktorát na Ludwig-Maximilians-Universität v Mnichově, habilitoval se na univerzitě v Mnichově a na Západočeské univerzitě v Plzni v oboru aplikovaná fyzika. Byl jmenován profesorem v oboru Aplikovaná fyzika. Je členem Slovenské chemické společnosti, od roku 2015 i mimořádným členem Centra pro nanovědu – CeNS, LMU München a od roku 2019 Německé fyzikální společnosti. Působí jako pravidelný oponent grantových agentur: DFG, SFN, FWF, DOE, NSF.