logo
FA 2/2021 informacje i komentarze

Anna Korzekwa-Józefowicz

Przyszłość jest w kwantach

Przyszłość jest w kwantach 1

– Nauka – i to ta bardzo wyrafinowana – pozwala nam sobie radzić z wieloma zagrożeniami. Dzięki szczepionce będziemy mogli przezwyciężyć pandemię, a technologie kwantowe mogą być naszą bronią w walce z zagrożeniami wynikającymi ze zmian klimatycznych czy cyberprzestępczością – mówi Roman Ciuryło z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Profesor jest pracownikiem jednej z ośmiu instytucji naukowych, które podpisały właśnie list intencyjny dotyczący koordynacji działań na rzecz rozwoju polskich badań kwantowych. Naukowcy liczą też na ustanowienie długofalowego programu rozwoju tych badań, podobnego do tych funkcjonujących w innych krajach.

Zastosowanie technologii kwantowych może przynieść rewolucyjne zmiany w medycynie, metrologii, robotyce, telekomunikacji i cyberbezpieczeństwie, bankowości, a także symulacjach układów złożonych.

W grudniu 2018 Kongres Stanów Zjednoczonych przyjął National Quantum Initiative Act. W Białym Domu zostało powołane Narodowe Biuro Koordynacji, które na poziomie federalnym nadzoruje prace dotyczące technologii kwantowych prowadzone przez agendy rządowe, ośrodki naukowe i korporacje technologiczne. Amerykanie nie mają wątpliwości, jaką rolę mogą odegrać technologie kwantowe we wzmocnieniu ekonomii, sprawach ochrony zdrowia i bezpieczeństwa narodowego. Koncentrują się m.in. na budowie komputera kwantowego, który będzie miał zastosowanie w wielu ważnych badaniach, a to dzięki nieporównywalnie większej od obecnych komputerów mocy obliczeniowej. O pozycję kwantowego supermocarstwa walczą też Chiny.

Światowy wyścig

Na całym świecie trwa teraz wyścig nad rozwojem badań i poszukiwaniem zastosowań wspomnianej technologii. W październiku 2018 roku Unia Europejska zainicjowała dziesięcioletni Quantum Technologies Flagship, z ponadmiliardowym budżetem, by zapewnić Europie rolę lidera w technologiach kwantowych.

– Fizyka kwantowa, możliwość inżynierii pojedynczych układów fizycznych, otwiera nowe perspektywy technologiczne, z czego zdają sobie sprawę wszystkie mocarstwa naukowe. Stawką tego wyścigu jest zdobycie przewagi i odniesienie jak największych korzyści społeczno-ekonomicznych – mówi prof. Marek Kuś z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk, członek Strategicznego Komitetu Doradczego Quantum Technologies Flagship.

Podobnie do sprawy odnoszą się poszczególne kraje europejskie. W lipcu 2020 roku niemiecka minister badań zapowiedziała przeznaczenie dwóch miliardów euro z niemieckiego funduszu wsparcia po pandemii na badania prowadzące do stworzenia eksperymentalnego komputera kwantowego. W styczniu 2021 roku prezydent Emmanuel Macron w paryskim Centrum Nanonauki i Nanotechnologii mówił, że technologie kwantowe – podobnie jak badania nad sztuczną inteligencją i badania medyczne – są „kluczem do przyszłości, który Francja absolutnie musi mieć w swoich rękach”. Zadeklarował, że w ciągu najbliższych pięciu lat jego kraj zainwestuje 1,8 mld euro (1 mld z budżetu, 800 mln m.in. z pieniędzy unijnych i od przedsiębiorstw) w rozwój technologii kwantowych.

Zapowiedzi zaangażowania w rozwój technologii kwantowych padały również ze strony przedstawicieli polskich władz. W 2019 roku Jarosław Gowin, ówczesny minister nauki i szkolnictwa wyższego, podpisał deklarację dotyczącą włączenia się Polski w prace na rzecz powstania sieci EuroQCI, dzięki której państwa europejskie będą mogły komunikować się w sposób zapewniający maksymalne bezpieczeństwo.

Przyszłość jest w kwantach 2

Karty nie zostały rozdane

W ostatnich dniach stycznia osiem polskich instytucji naukowych podpisało list intencyjny, dotyczący koordynacji działań na rzecz rozwoju polskich badań kwantowych. Jego sygnatariuszami są: Uniwersytet Warszawski, Uniwersytet Gdański, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Politechnika Wrocławska oraz Instytut Fizyki PAN.

– Chcemy być głosem środowiska i partnerem do rozmów z władzami publicznymi o wykorzystaniu technologii kwantowych, m.in. dla wzmocnienia pozycji gospodarczej Polski – mówi prof. Konrad Banaszek z UW. Inicjatywa ma być parasolem nad różnymi aktywnościami, prowadzonymi w ośrodkach naukowych w Polsce. Naukowcy liczą też na wsparcie władz publicznych i ustanowienie długofalowego programu rozwoju badań kwantowych, podobnego do tych, które funkcjonują w innych krajach. Jak podkreślają uczeni, karty w międzynarodowej grze o przewagę nie zostały jeszcze rozdane, a państwa, które dziś zainwestują w badania nad technologiami kwantowymi, za kilkanaście lat mogą osiągnąć ogromne korzyści. – Wszystkie nasze ośrodki naukowe mają duży potencjał, udokumentowany uczestnictwem w projektach europejskich, publikacjami, nagrodami, patentami i kontaktami z przemysłem. Ten potencjał trudno jest jednak utrzymać od grantu do grantu – dodaje prof. Banaszek.

Istotna rola w Europie

Polscy uczeni mają wybitne osiągnięcia, jeśli chodzi o podstawy teoretyczne. Fundamentalne prace na temat splątania kwantowego powstały w latach 90. ubiegłego stulecia na Uniwersytecie Gdańskim. Prof. Ryszard Horodecki wraz ze współpracownikami stworzył tu ośrodek, który stał się światowym centrum badań w dziedzinie informatyki kwantowej. W 2012 Europejska Rada ds. Badań (ERC) przyznała mu prestiżowy grant Advanced na badania dotyczące m.in. kwantowych korelacji i kwantowej nielokalności. Ośrodki warszawski i krakowski mają długie tradycje w zakresie optyki kwantowej, z której wyrasta większość obecnych badań, dotyczących nowych sposobów komunikacji, detekcji, metrologii i obrazowania. Naukowcy z UMK w Toruniu pracują w Krajowym Laboratorium FAMO nad nową generacją optycznych zegarów atomowych, najdoskonalszych urządzeń pomiaru czasu na świecie, które mogą być wykorzystywane w geodezji i nawigacji. Zajmują się też innymi zastosowaniami metrologii kwantowej. – Nowe techniki pozwolą analizować zmiany ilości np. gazów cieplarnianych w naszej atmosferze z dużo większą dokładnością niż było to możliwe dotychczas. Ma to kluczowe znaczenie dla przewidywań zmian klimatu oraz opracowywania strategii walki z niekorzystnymi zjawiskami wywołanymi przez te zmiany – wyjaśnia prof. Roman Ciuryło.

Zdaniem prof. Marka Żukowskiego z Uniwersytetu Gdańskiego, podpisanie listu intencyjnego jest szansą na stworzenie silnej organizacji, która będzie mogła odegrać istotną rolę w Europie. – Konsorcjum będzie pomocne w działaniach na arenie krajowej i w kontaktach z kołami biznesowymi, coraz bardziej świadomymi korzyści z potencjału technologii kwantowych. Nasze środowisko powinno mówić jednym głosem w dialogu z instytucjami państwowymi – podkreśla profesor.

Prof. Żukowski kieruje Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych UG. Ośrodek powstał we współpracy z Instytutem Optyki Kwantowej i Informatyki Kwantowej Austriackiej Akademii Nauk w Wiedniu, w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze, realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Pracujący tu badacze zajmują się m.in. kryptografią i pracami koncepcyjnymi dotyczącymi komputerów kwantowych – opracowaniem ich oprogramowania i architekturą sprzętu.

Prof. Konrad Banaszek kieruje na Uniwersytecie Warszawskim Centrum Optycznych Technologii Kwantowych, finansowanym także z programu MAB. Partnerem strategicznym w tym projekcie jest Uniwersytet w Oksfordzie. Centrum Fizyki Teoretycznej PAN realizuje grant z programu TEAM-NET FNP „Komputery kwantowe w najbliższej przyszłości: wyzwania, optymalne implementacje i zastosowania praktyczne”. Naukowcy pod kierunkiem prof. Marka Kusia pracują tu nad optymalizacją obliczeń kwantowych w obecności zakłóceń, które w obecnych implementacjach są nieuniknione.

Polska odgrywa także kluczową rolę w działaniu największego europejskiego programu QuantERA, finansującego badania w zakresie technologii kwantowych. Koordynatorem sieci, która łączy obecnie 38 agencji badawczych w Europie i wspólnie ogłasza konkursy na granty, jest Narodowe Centrum Nauki. – Polska jest jednym z głównych graczy, jeśli chodzi o technologie kwantowe. Jesteśmy w stałym dialogu z Komisją Europejską i europejskimi agencjami finansującymi badania w tej dziedzinie – mówi Sylwia Kostka z NCN, koordynatorka programu.

Bezpieczniejszy rezonans, bezpieczne informacje

Naukowcy z Torunia i Gdańska w poszukiwaniu zastosowań technologii kwantowych współpracują m.in. z firmą Syderal, dostarczającą rozwiązania z zakresu elektroniki i oprogramowania dla przemysłu kosmicznego. Badacze z Warszawy zaś ze spółką EXATEL, operatorem telekomunikacyjnym, obsługującym największe organizacje z sektora publicznego. Zabezpieczenie sieci przed atakiem z użyciem technologii kwantowych może stać się w niedalekiej przyszłości poważnym wyzwaniem. – Wdrażanie rozwiązań w zakresie cyberbezpieczeństwa czy telekomunikacji, stworzonych w partnerstwie ze środowiskiem naukowym, daje dużą przewagę konkurencyjną – mówi dr hab. Teodor Buchner, wykładowca Politechniki Warszawskiej, który w EXATEL zajmuje się projektami badawczo-rozwojowymi.

Prof. Konrad Banaszek zwraca uwagę, że rozwój technologii związanych z cyberbezpieczeństwem jest bardzo ważny z perspektywy suwerenności technologicznej. – Ochrona informacji niejawnych oraz zabezpieczenie działania infrastruktur krytycznych to zasadnicze sprawy dla funkcjonowania państwa – mówi.

Zdaniem naukowców możemy być pewni, że rozwój technologii kwantowych w perspektywie dwudziestu lat sprawi, że zmienią się niektóre techniki diagnostyki medycznej. Badania takie jak np. rezonans magnetyczny będą szybsze, dokładniejsze, mniej inwazyjne i tańsze. Poszerzy się też nasza wiedza o wszechświecie. Technologie kwantowe mogą poprawić np. czułość detektorów wykorzystywanych w wykrywaniu fal grawitacyjnych. Możemy też być spokojniejsi, że informacje o nas będą lepiej chronione przed niepowołanym okiem.

Anna Korzekwa-Józefowicz

Komputer kwantowy – jak to działa?

Informatyka konwencjonalna do kodowania informacji wykorzystuje bity. Bity mogą przyjmować jedną z dwóch wartości: 0 lub 1. Komputery kwantowe wykorzystują bity kwantowe, czyli kubity, które mogą jednocześnie przyjmować oba te stany. Dodatkowo oddziaływanie dwóch kubitów sprawia, że przestają być od siebie niezależne i wchodzą w stan tak zwanego splątania. Dzięki zjawiskom superpozycji oraz splątania komputer kwantowy może w teorii uzyskiwać dostęp do wszystkich możliwych wyników obliczeń w zaledwie jednym działaniu.

Jesienią 2020 roku Chińscy naukowcy poinformowali na łamach „Science”, że ich maszyna kwantowa rozwiązała w ciągu kilku minut problem, który klasycznemu komputerowi zająłby miliardy lat. Rok wcześniej podobnym osiągnięciem pochwalili się pracownicy laboratorium Google’a. Nie oznacza to, że komputery kwantowe szybko znajdą się w naszych domach. Nawet najdrobniejsze wahania temperatury, hałasu, ciśnienia czy pola magnetycznego mogą prowadzić do wybicia kubitów ze stanu superpozycji, co doprowadzi do błędów w obliczeniach. – Wciąż mierzymy się z wieloma bardzo poważnymi ograniczeniami i nie wiadomo, kiedy uda się je przezwyciężyć – mówi prof. Marek Kuś z CFT PAN. Jedno jest pewne, polscy badacze mają czynny udział w rewolucji technologicznej, która odbywa się na naszych oczach.

Wróć