Technologie kwantowe to wiele obszarów i domen badań oraz aplikacji ich wyników. Te, w których polscy badacze są silni powinny wpisać się w szeroki program – Narodowy Program Kwantowy, który pozwoliłby wykorzystać potężny krajowy potencjał dla rozwoju nowoczesnej gospodarki i nauki w Polsce. Rozmowa z prof. Konradem Banaszkiem z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, kierownikiem Laboratorium Technologii Kwantowych w Centrum Nowych Technologii UW oraz koordynatorem naukowym międzynarodowej sieci QuantERA prowadzonej przez Narodowe Centrum Nauki.
Panie Profesorze, czerwiec przyniósł postępy w dziedzinie technologii kwantowych – premierę urządzenia PiastQ w poznańskim Centrum Superkomputerowo Sieciowym. To skłania do pytań: jaki to jest komputer, czemu ma służyć i czy to dobry czas na inwestycje w infrastrukturę, czy może lepiej w usługi?
Konrad Banaszek: Jest to temat rzeka. Bardzo się cieszę, że wspomniał pan o technologiach kwantowych, bo na komputerach kwantowych temat się nie kończy. Zaryzykowałbym stwierdzenie, że komputery kwantowe niekoniecznie są najciekawszym obszarem, który mamy obecnie.
Zajmijmy się jednak tym słoniem w pokoju, żeby sprowadzić go do właściwych rozmiarów. Komputery kwantowe, które obecnie są budowane, to urządzenia badawcze. Wciąż nie ma przekonującego przykładu praktycznego problemu, który dałoby się rozwiązać na obecnie dostępnym komputerze kwantowym szybciej niż na maszynach klasycznych.
Należy podkreślić, że komputery kwantowe to nie są standardowe komputery , tylko działające szybciej. Nie można po prostu przenieść oprogramowania z klasycznego komputera na kwantowy i oczekiwać znacznego przyspieszenia obliczeń.
Pierwsze pytanie brzmi: czy dla danego problemu obliczeniowego istnieje szansa na szybsze rozwiązanie na komputerze kwantowym? Takich problemów obecnie znamy bardzo niewiele. Następnie trzeba wymyślić algorytm kwantowy, który można zrealizować – a znamy bardzo mało algorytmów kwantowych oferujących przewagę.
Dodatkowo, obecne komputery kwantowe są urządzeniami niedoskonałymi, działającymi w skali niewystarczającej do rozwiązywania rzeczywistych problemów. To przede wszystkim urządzenia badawcze służące lepszemu zrozumieniu obliczeń kwantowych i dopiero poszukujące praktycznych zastosowań.
Są to niesłychanie ciekawe i warte badania, ale co z tego wyniknie długoterminowo – to sprawa otwarta. Na pytanie, czy za piętnaście-dwadzieścia lat będziemy mieli działający, użyteczny komputer kwantowy, najlepiej w tej chwili rzucić monetą. Prawdopodobieństwo oceniam na pięćdziesiąt na pięćdziesiąt.
Ale mamy inwestycje, oficjalną premierę, notabli i szacowną instytucję. Wydaje się, że wpisuje się to w jakiś szerszy plan. Pytanie brzmi: czy mamy strategię i czy to rzeczywiście jest składnikiem tego, jak Polska – środowisko naukowe, rynek, wszystkie elementy – chciałaby poznawać technologie kwantowe i włączać je w swoją działalność.
Niestety, w popularnych mediach komputery kwantowe pełnią głównie rolę tła dla polityków, a powinny stanowić część większej strategii. Trzeba zastanowić się, kto będzie z tych urządzeń korzystał i w jakim zakresie. Należy pamiętać, że postęp w technologii komputerów kwantowych jest bardzo szybki – obecne urządzenia w ciągu kilku lat zostaną zastąpione kolejnymi generacjami.
Pojawia się więc pytanie: czy lepiej kupować urządzenia, czy usługi, czy uzyskiwać dostęp zdalny? Kontrargumentem jest to, że dostęp zdalny łatwiej wyłączyć, ale nie obawiałbym się tego problemu, dopóki urządzenia mają przede wszystkim charakter badawczy.
Precyzyjny plan i rekomendacje dotyczące strategii zawiera manifest sygnowany przez Klaster Q. Pojawił się na jesieni ubiegłego roku. Czy był jakiś odzew, a jeśli nie, czy mógłby Pan przedstawić główne punkty?
Klaster technologii kwantowych to porozumienie łączące obecnie 30 podmiotów – uczelnie, instytuty badawcze, przedsiębiorstwa, start-upy oraz organizacje pozarządowe. Obejmuje więc najważniejszą część krajowego ekosystemu kwantowego, w tym wszystkie organizacje z wieloletnim realnym dorobkiem kwantowym.
Trzeba podkreślić, że polska fizyka kwantowa na wieloletnie tradycje, jest rozpoznawalna na świecie i jako środowisko jest znakomicie zorganizowana. Dowodem tego są działające od wielu lat środowiskowe instytucje, jak Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej przy Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu i Krajowe Centrum Informatyki Kwantowej przy Uniwersytecie Gdańskim. Głównym problem, z którym się borykamy, to brak systemowego zainteresowania ze strony państwa, a największe projekty badawcze finansowane są ze środków unijnych. Dlatego powstał nasz manifest, który jest gotową instrukcją odblokowania potencjału naukowego i gospodarczego polskich kwantów.
Ważnym punktem manifestu jest połączenie różnych działań w przemyślany sposób. Trzeba planować prace badawcze i infrastrukturę, która je umożliwi. Konieczne jest zadbanie o wykwalifikowane kadry – potrzebny jest komponent edukacyjny.
Wreszcie niezbędne jest wsparcie dla start-upów i przedsiębiorstw. Mamy wiele ciekawych pomysłów wymagających inkubacji i wsparcia finansowego, aby być konkurencyjnymi na rynkach międzynarodowych. Dziedzina jest na tyle świeżą, że wciąż mamy na to szansę. Pomimo to pozostajemy w gronie państw, które nie mają jeszcze strategii.
Jesteśmy ewenementem? Wszyscy już zdefiniowali swoje cele, możliwości, zasoby i aktywa?
Niestety, zaczynamy być ewenementem.
Kolejne kraje europejskie i nie tylko ogłaszają swoje strategie kwantowe. My wciąż czekamy. Na początku maja w Gdańsku odbyło się duże wydarzenie organizowane przez program QuantERA – projekt finansowania badań koordynowany przez Narodowe Centrum Nauki. Przedstawiono tam hiszpańską strategię kwantową. Pozostaje nam czekać na naszą.
Jak szybko można by się jej spodziewać? Jak długo opracowuje się taki dokument? Jeżeli są rekomendacje – czy spodziewałby się Pan szybkiego konsensusu środowiska i potrzeby tylko woli politycznej decydentów?
Środowisko jest gotowe pracować nad dokumentem i przedstawić konkretną, przemyślaną wizję. Jej ramy zwiera zeszłoroczny Manifest. Niestety obecny projekt założeń polityki kwantowej był pisany bez dogłębnego dialogu ze środowiskiem polskich naukowców i inżynierów kwantowych. To dziwi, bo cały czas byliśmy i jesteśmy otwarci na rozmowy z decydentami. Polska strategia kwantowa powinna być zwięzłym dokumentem z jasno określonym budżetem, harmonogramem i czytelnymi wskaźnikami. Musimy też jasno wskazywać, że krajowe środki budżetowe mogą być kierowane tylko na rozwój polskich technologii kwantowych, a nie na zakup gotowych zagranicznych rozwiązań. Adaptacja cudzych technologii to przepis na utrwalanie gospodarczego niedorozwoju. Tworzenie własnego IP, własności intelektualnej, to fundament przyszłej komercjalizacji.
Potrzebny jest jednak dialog z decydentami. Powinna zapaść decyzja o tworzeniu strategii kwantowej. Powinno pojawić się oszacowanie środków i perspektywy czasowej ich przeznaczenia.
Autorzy manifestu przedstawili szacunki – proponowali promil PKB jako jednostkę budżetu rocznego i oszacowali korzyści dla gospodarki w średnim i długim horyzoncie. Korzyści mogą być znaczne. Promil to około trzech miliardów…
Czekamy na partnera do rozmowy. W grudniu zeszłego roku Ministerstwo Cyfryzacji opublikowało strategię cyfryzacji z fragmentami dotyczącymi technologii kwantowych. Niektóre zapisy były zaskakujące.
Znalazło się tam stwierdzenie, że należy się postarać, aby środowisko akademickie miało dostęp do know-how kwantowego. Polscy naukowcy tworzą technologie kwantowe już od kilku dziesięcioleci, więc know-how w Polsce mamy. Podstawowym pytaniem powinno być, jak je rozwijać i wykorzystać.
Temat technologii kwantowych jest obecnie bardzo modny na świecie i mam wrażenie, że wiele osób niezwiązanych z tą problematyką chce się zapałać „na kolejny gorący temat”. Owocuje to stawianiem rozmaitych tez pomijających podstawowe fakty i znajomość tematyki. Chciałbym jeszcze raz podkreślić, że próby pisania polskiej strategii kwantowej przez osoby dla których jest to nowa problematyka, bez udziału naukowców i inżynierów kwantowych to droga donikąd.
Zapytam o prace prowadzone w oczekiwaniu na zainteresowanie ośrodków decyzyjnych. Jakie badania i kierunki są rozwijane? Które technologie kwantowe w naszych ośrodkach są szczególnie perspektywiczne? Wspominał Pan na przykład o łączności kosmicznej jako szczególnie interesującym obszarze.
To temat bliski mojemu sercu, bo bezpośrednio uczestniczymy w rozwoju tej technologii. Zrealizowaliśmy już dwa zamówienia Europejskiej Agencji Kosmicznej i mamy nadzieję na kolejne – temat jest rozwojowy i bardzo ciekawy.
To łączność określana po angielsku Deep Space – łączność w głębokim kosmosie. Problem jest bardzo praktyczny. Jeżeli wysyłamy sondę na inną planetę, urządzenie wielkości smartfona może zebrać ogromne ilości danych – obrazy, wideo, dane z czujników. Wąskim gardłem jest transmisja na Ziemię.
Dotychczas używano fal radiowych, ale ulegają one dyfrakcji – bardzo mały ułamek emitowanej mocy dociera na Ziemię. Rozwijany jest pomysł przejścia na łączność laserową: umieszczenie na sondzie nadajnika laserowego, który moduluje światło laserowe do odbioru na Ziemi.
To nie jest takie proste. Jeśli wziąć wskaźnik laserowy i odsunąć się na jedną jednostkę astronomiczną, plamka ulega dyfrakcji i będzie znacznie większa od średnicy Ziemi. Z takiego nadajnika docierałoby bardzo niewiele fotonów – rzędu kilkuset tysięcy na sekundę. Dużym wyzwaniem jest zakodowanie maksimum informacji.
W 2023 roku NASA wystrzeliła do asteroidy Psyche sondę wyposażoną w nadajnik laserowy. Zarówno NASA, jak i zespół z Europejskiej Agencji Kosmicznej nawiązały łączność i odebrały dane jeszcze przed dotarciem sondy do celu. To zdecydowane poszerzenie przepustowości – docelowo moglibyśmy mieć transmisję wideo wysokiej rozdzielczości.
Kluczowe pytanie brzmi: ile informacji da się zakodować w tak nielicznych fotonach? Na pierwszy rzut oka jeden foton równa się jednemu bitowi, ale są sprytniejsze sposoby. Emitując fotony jako bardzo krótkie impulsy w wybranych momentach, możemy zakodować tysiące bitów w pojedynczym fotonie.
Zajęliśmy się tym tematem. Okazało się, że ograniczeniem są szumy – fotony tła przypadkowo łapane przez teleskop odbiorczy. Pracujemy nad technikami zmniejszania dodatkowego szumu, co zwiększy przepustowość łączy.
Wydaje mi się, że technologie kwantowe są interesujące również ze względu na szyfrowanie kwantowe – to już aplikacyjna kwestia. Gdy zabezpiecza się komunikację, zaczynają być to szczególnie drażliwe sprawy z powodów geopolitycznych.
Kryptografia kwantowa to bardzo ciekawy, szybko rozwijający się temat.
Potrzebne jest osiągnięcie konsensusu między klasycznymi kryptologami a środowiskiem rozwijającym technologie ochrony warstwy fizycznej systemów teleinformatycznych. Myślę, że ostatecznie będziemy mieli kilka linii obrony – w warstwie cyfrowej (to, co już obecnie istnieje oraz wzmocnione algorytmy postkwantowe) oraz dodatkową, fizyczną linię obrony.
Pierwszą trzeba utwardzić, aby zabezpieczyć przed możliwymi atakami z użyciem komputera kwantowego, jeśli ktoś zbuduje urządzenie odpowiedniej skali. Druga ma chronić w sytuacjach, gdy ktoś uzyska fizyczny dostęp do kanału komunikacyjnego. Temu służy kryptografia kwantowa i pokrewne techniki.
Inne wykorzystanie technologii kwantowych to „nawigacja kwantowa”. Ale o czym tak naprawdę mówimy?
To niesłychanie ciekawy temat.
Jeżeli weźmiemy odpowiednio dobrane atomy i oświetlimy je światłem laserowym, stają się niesłychanie czułe na pole magnetyczne. Możemy w ten sposób zbudować kwantowe magnetometry pozwalające bardzo precyzyjnie mierzyć pola magnetyczne.
Tym zajmuje się zespół profesora Szymona Pustelnego na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie. Zespół uczestniczy w międzynarodowej sieci GNOME, która próbuje szukać nowych cząstek elementarnych składających się na hipotetyczną ciemną materię, o której mówią astronomowie i astrofizycy. W pewnych modelach cząstki ciemnej materii oddziaływałyby z atomami jak pole magnetyczne. Pytanie: czy zaburzenia atomów to skutek pola magnetycznego, czy nowych cząstek? Pomysł polega na rozstawieniu magnetometrów kwantowych na całej kuli ziemskiej. Jeśli cząstka przyleci przez Ziemię, powinna dać podobny sygnał w wielu miejscach na planecie. To zupełnie inny sposób poszukiwania nowej fizyki niż budowanie coraz większych akceleratorów cząstek, do którego jesteśmy przyzwyczajeni od kilkudziesięciu lat.
Bardzo ciekawe zastosowanie magnetometrów kwantowych opisał natomiast zespół z australijskiej firmy QCTRL. Adresuje on właśnie zagadnienie nawigacji kwantowej. Problem, z którym się mierzymy i który będzie narastał, to nawigacja. Obecnie wszyscy opieramy się na nawigacji satelitarnej, której sygnał można zaburzyć, a operatorzy satelitów mogą go wyłączyć lub zaszyfrować.
Jeśli jednak będziemy w stanie ustalić, gdzie się znajdujemy na Ziemi, bez zewnętrznego sygnału odniesienia, będziemy niezależni od tych zakłóceń. Bardzo dobrym sposobem jest precyzyjne mierzenie pola magnetycznego Ziemi, które wykazuje drobne anomalie w zależności od lokalizacji. Jeżeli mielibyśmy dokładną mapę tych anomalii i bardzo czuły magnetometr w pojeździe czy samolocie, śledząc wskazania magnetometru moglibyśmy ustalić nasze położenie z bardzo przyzwoitą dokładnością. Firma ta zbudowała urządzenie, które zadziałało na trasach długości dziesiątek kilometrów, bez zewnętrznych sygnałów odniesienia, w oparciu o ogólnie dostępne mapy anomalii magnetycznych Ziemi.
Wspomniał Pan o zespole krakowskim, którego prace także mogłyby pozwolić a budowę podobnych urządzeń. Wszystko musiałoby się jednak wpisać w strategię, o której mówiliśmy na początku.
Tak, strategia jest niezbędna – przy każdej okazji to powtarzam.
Pamiętajmy też, że wiele badań zależy od wyrafinowanej infrastruktury. Warto więc wspomnieć o optycznym zegarze atomowym, który działa na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu i mierzy czas oraz częstotliwość z fantastyczną dokładnością, ale nie ma stałego finansowania – więc koleżanki i koledzy w Toruniu łatają to jak mogą. Optyczne zegary atomowe tej klasy działają w zaledwie kilkunastu ośrodkach na świecie. Toruński zespół gra w światowej ekstralidze.
Mamy naprawdę wszelkie predyspozycje, żeby dzięki technologiom kwantowym dokonać cywilizacyjnego i gospodarczego skoku.
Prof. Konrad Banaszek pracuje na Uniwersytecie Warszawskim, gdzie kieruje Laboratorium Technologii Kwantowych w Centrum Nowych Technologii UW. Z ramienia Narodowego Centrum Nauki jest koordynatorem naukowym międzynarodowej sieci QuantERA, która wspiera badania z zakresu technologii kwantowych w Europie. Był także zaangażowany w utworzenie Klastra Q – Klastra Technologii Kwantowych, który został powołany w maju 2022 r. Członek korespondent Polskiej Akademii Nauk oraz Fellow Member międzynarodowego stowarzyszenia Optica.
