logo
FA 3/2021 życie naukowe

Mariusz Karwowski

Protokoły przyszłości

Wielofotonowe stany kwantowe można porównać do wykorzystania wielu rdzeni procesora, które znacznie przyspieszają przetwarzanie informacji.

Zwierzęcym symbolem dziejącej się właśnie na naszych oczach rewolucji kwantowej mógłby być manul Erwin. Jest przedstawicielem gatunku, który zamieszkuje stepy, pustynie oraz góry Azji Środkowej. Zimno mu niestraszne, bo grube futro skutecznie chroni przed niskimi temperaturami. Imponuje sprawnością – we wspinaniu się po skałach nie ma sobie równych. Należy do jednej z najstarszych rodzin kotowatych, bo manule pojawiły się przed dwoma milionami lat. Jako nieliczne w tej kociej familii mają okrągłe źrenice. I jak wszystkie miewają swoje humory. Zamieszkujący warszawskie zoo Erwin jest pupilem Grupy Badawczej Kwantowych Technologii QCAT działającej na Uniwersytecie Warszawskim.

– Gdy kilka lat temu zaczynałam projekt „First Team” Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, zoo szukało sponsorów dla dzikich kotów. Ponieważ bardzo lubię koty, stwierdziłam: czemu nie? Tak zrodził się pomysł „adopcji” manula – wspomina liderka zespołu, dr hab. Magdalena Stobińska.

Jak każdemu fizykowi koty towarzyszą jej nieustannie. Z tym ze słynnego eksperymentu myślowego noblisty Erwina Schrödingera – jednocześnie żywym i martwym – ma do czynienia niemal bez przerwy. Sama napisała kiedyś artykuły o fotonicznych „kotach” i „kotkach” Schrödingera. A jeszcze na studiach była współautorką popularnonaukowego tekstu o czasoprzestrzeni z kotem na horyzoncie, opisującego zjawiska związane z czarnymi dziurami. Od pewnego czasu z sukcesami zajmuje się równie ciekawymi wielofotonowymi stanami kwantowymi wytwarzanymi w sposób naturalny w układach fotonicznych. Dla lepszego zobrazowania porównuje je z wielordzeniowymi procesorami, które znacznie przyspieszają przetwarzanie informacji.

– Można na nich budować np. nowe, o wiele wydajniejsze protokoły przesyłania informacji kwantowej – tłumaczy.

Splątane kwanty

O ile informatyka konwencjonalna do kodowania informacji wykorzystuje bity o jednej z dwóch wartości – 0 lub 1, o tyle qubity, czyli bity kwantowe, mogą przyjmować jednocześnie oba te stany. Ich wzajemne oddziaływanie sprawia, że przestają być od siebie całkowicie niezależne i wchodzą w stan tak zwanego splątania. Dzięki temu komputery kwantowe mogą osiągać nieporównywalnie większą moc obliczeniową i pozostawić w tyle swoje konwencjonalne odpowiedniki. Teoria informacji kwantowej opisuje, w jaki sposób dane zakodowane w qubitach przechowywać, przetwarzać i przesyłać, a przez to wykorzystywać prawa mechaniki kwantowej w praktyce, np. do przeprowadzenia odpornej na podsłuch transmisji danych, uzyskania prawdziwie losowych liczb potrzebnych w informatyce albo zwiększenia precyzji pomiarów ponad ograniczenia wynikające z fizyki klasycznej.

– Dużym wyzwaniem w obszarze technologii kwantowych jest łączenie propozycji teoretycznych, czyli np. jakiegoś protokołu, z możliwościami aparatury dostępnej w laboratoriach. Wiadomo, że sprzęt, w przeciwieństwie do naszej fantazji, jest ograniczony, i sztuką jest połączyć te dwa obszary. Nam się powiodło – opowiada badaczka.

Chodzi o rozwiązanie problemu dystrybucji kwantowego splątania na bardzo duże odległości w otoczeniu, gdzie występują straty. Zazwyczaj jakiekolwiek niedoskonałości urządzeń szybko psują kwantowe korelacje, co oznacza ni mniej, ni więcej, że tracą one swój charakter i zachowują się dokładnie tak, jak klasyczne. Naukowcy z UW opracowali protokół kwantowej komunikacji poprzez łącza satelitarne o bardzo dobrej jakości. Nie dość tego, wyposażony został w „umiejętność” samotestowania: sprawdza w czasie rzeczywistym zachowanie reżimu kwantowego. Ambicją zespołu jest implementacja na większą skalę – dwie stacje odległe od siebie o kilkaset kilometrów łączą się za pomocą satelity znajdującego się na orbicie. To osiągnięcie, pozwalające ominąć dotychczasowe problemy spotykane w technologiach opartych na pojedynczych fotonach, nie byłoby możliwe, gdyby nie pójście pod prąd.

– Zawsze uważałam, że trzeba mieć swoją ścieżkę, swój pomysł i nie należy ulegać modom, szczególnie w nauce. Na początku jest może trudno, ale nadchodzi taki moment, w którym rodzą się naprawdę oryginalne koncepcje – dowodzi dr hab. Magdalena Stobińska.

Wielofotonowy s(z)tos

Obrany przez nią kierunek nie cieszył się dotąd zbytnią popularnością. Większość uczonych woli pracować nad technologiami opartymi na pojedynczych fotonach. Jest to spowodowane prostotą i niezawodnością takiego rozwiązania, a także brakiem do niedawna odpowiedniej aparatury do badań nad wielofotonowymi stanami kwantowymi. Kiedy więc w laboratoriach zaczęły pojawiać się nowe detektory zliczające fotony, tzw. TES (Transition-Edge Sensors), opracowane wcześniej przez amerykański National Institute of Standards and Technology na potrzeby astronomii, zapaliło się zielone światło dla fizyków kwantowych. Grupa QCAT opracowała do nowych układów narzędzia matematyczne i numeryczne, nawiązano też współpracę z zagranicznymi zespołami, które nauczyły się wytwarzać i mierzyć wielofotonowe stany Focka. Zaskoczeniem był fakt, że wbrew obiegowej opinii stany wielofotonowe mogą być wykorzystane także w układach, w których występują duże straty, np. w optycznych łączach satelitarnych. Dotychczas bazą dla nich były pojedyncze fotony – nawet jeśli dochodziło do strat, to nie powodowały one obniżenia jakości zasobu kwantowego. W przypadku stanów wielofotonowych nie udawało się tego uzyskać. Badacze z UW wyeliminowali niedoskonałości i zaoferowali technologię o tych samych własnościach, ale opartą na stanach wielofotonowych.

– Jeśli pojawiają się straty, to obniżamy tylko efektywność protokołu, a nie jego jakość. A o tę jakość zawsze chodzi. Dodatkowo oczekiwania były tak duże, że nie mogliśmy ograniczyć się do jednego elementu i musieliśmy opracować od podstaw cały wielofotonowy „stos technologiczny”, czyli poszczególne ogniwa tego systemu – podkreśla uczona z UW.

Zainteresowanie fizyką wzbudziła w niej książka Stephena Hawkinga Krótka historia czasu. Czarne dziury, czerwone karły, gwiazdy neutronowe – to działało na wyobraźnię. Z naukowego punktu widzenia ten obszar jest tyleż atrakcyjny, co niewdzięczny – o dane doświadczalne, które przecież wyznaczają przełomowe momenty w nauce, niezwykle w nim trudno. Dlatego, gdy trafiła na wykład z optyki kwantowej prof. Krzysztofa Wódkiewicza, okazało się, że równie ciekawa, a może nawet ciekawsza od teorii grawitacji jest teoria mechaniki kwantowej. Jak mówi, to zupełnie inna filozofia myślenia. Jest nieintuicyjna i dlatego wielu trudno ją zrozumieć, wszak zupełnie przeczy naszemu codziennemu doświadczeniu. I na dowód przytacza ulubione porównanie o informacji. W świecie klasycznym jest ona w zasadzie pomijana, niezauważana, a przecież obiektywnie istnieje. Natomiast w świecie kwantowym, gdy chcemy wiedzieć, np. gdzie jest elektron, musimy dokonać pomiarów. Bez pomiaru informacji nie ma, jest dopiero stwarzana. I zaraz po pomiarze znika. Jednym słowem, informacja na temat obiektów kwantowych to wielkość, która „żyje” w bardzo krótkim odcinku czasu. Przyzwyczajonym do tego, że informacje na temat różnych obiektów fizycznych istnieją zawsze, bez względu na to, czy się o nie pytamy, czy nie, może być trudno pojąć ten kwantowy świat, w którym – poprzez pytanie, a później pomiar – informacja dopiero się tworzy.

– Uważam ten aspekt za źródło mocy technologii kwantowej – zaznacza badaczka i dodaje jeszcze jeden jej walor: bezwarunkowe bezpieczeństwo. Podsłuchanie informacji zakodowanej w splątanych stanach kwantowych niszczy w nich korelacje kwantowe i jest wykrywane za pomocą testu. Dlatego złamanie systemów kryptografii kwantowej, jeżeli są dobrze zbudowane, jest nieosiągalne.

Protokół na satelicie

Wszystko to sprawia, że nie tylko w komunikacji, ale też w medycynie i naukach przyrodniczych, metrologii, robotyce i sztucznej inteligencji, technologiach symulacyjnych i cyberbezpieczeństwie, otwierają się całkiem nowe perspektywy. Oczywiście układy elektronicznie nie znikną, ale funkcjonalna przewaga po stronie scalonych układów fotonicznych stanie się niepodważalna. Wyścig o pozycję kwantowych liderów już się rozpoczął, a do udziału w nim bez kompleksów przystąpili również polscy naukowcy. Grupa QCAT skupia wprawdzie teoretyków, ale w kwantach bez ich pracy – obliczeń, idei, hipotez – niewiele da się zrobić. Zespół zajmuje się nie tylko informacją kwantową. Specjalizuje się także w optyce kwantowej, czyli układach będących odpowiednikami rozwiązań znanych z elektroniki w fotonice, jak polaryzatory, falowody, detektory fotonów. Naukowcy integrują je, miniaturyzują, zwiększają kontrolę nad nimi. Ważnym filarem są także narzędzia numeryczne, w tym m.in. programy do superkomputerów w ACK Cyfronet AGH czy TASK w Gdańsku.

Najmłodszą gałęzią badań, które podejmują członkowie grupy, jest nanooptyka. Liderka zespołu przyznaje, że to jednak nie w ścisłych ramach tematycznych, ale zwykle na przecięciu tych obszarów, rodzi się to, co najciekawsze. Zawsze dziwiła ją daleko idąca specjalizacja i brak komunikacji między naukowcami zajmującymi się na pozór odległymi tematami. Jak wiele korzyści może przynieść łączenie sił, pokazuje fizyka ciała stałego. Dzięki technologii naukowcy byli w stanie badać ciała stałe w coraz mniejszych skalach, aż dotarli do nano. Rozwinęła się inżynieria nanomateriałowa. Co ciekawe, takie układy niby ciałostałowe, ale w skali nano, bardzo dobrze są opisywane modelami optyki kwantowej. Naturalne stało się połączenie tych dwóch, funkcjonujących dotąd obok siebie, obszarów. Tak zrodziła się nanooptyka.

– Chcemy kwantowym światłem pobudzać układy ciała stałego w skali nano – wybiega w przyszłość dr hab. M. Stobińska.

Właśnie zaczyna, w roli koordynatorki, prestiżowy grant AppQInfo (Applications and Hardware for Photonic Quantum Information Processing). Będzie kierować pracami konsorcjum złożonego z piętnastu instytucji i firm. To dopiero piąty w historii projekt MCSA-ITN pilotowany przez Polskę. Dotyczy komunikacji kwantowej z użyciem m.in. technologii satelitarnych, kwantowych obliczeń i symulacji oraz wykorzystania zintegrowanych układów fotonicznych.

– Celem jest stworzenie kadr, które będą w stanie przenieść technologie kwantowe z uczelni do przemysłu. Oni muszą rozmawiać z inżynierami, wiedzieć, jak działa rynek, muszą odnaleźć się i w laboratorium, i w rozmowie z teoretykami. Te szkolenia sprzyjają interdyscyplinarnej, nowoczesnej nauce, która polega na tym, że pracuje się w dużych zespołach. To jest nauka przez duże N – zaznacza.

Wobec projektu, na którego realizację KE przeznaczyła ponad 4 mln euro, warszawska badaczka ma jasno sprecyzowane plany: zamierza umieścić opracowany przez QCAT protokół komunikacji kwantowej na satelicie. Taki jest jej plan minimum. Erwin z warszawskiego zoo nie miałby chyba nic przeciwko temu.

Wróć