Polski procesor kwantowy: od spektroskopii do… obliczeń kwantowych

Z dr Michałem Parniakiem, kierownikiem Laboratorium Urządzeń Kwantowo-Optycznych w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego, rozmawiamy o tym w jaki sposób i na jakich zasadach działa pierwszy polski procesor kwantowy; jak radzi sobie z tzw. szumami kwantowymi; w jakich dziedzinach można go praktycznie wykorzystać; z jakim oddźwiękiem świata naukowego spotkało się jego opracowanie; na ile ta technologia jest unikalna na rynku komputerów kwantowych; a także o tym czy dzięki niej mógłby powstać pierwszy w Polsce komputer kwantowy.

Razem z doktorantami Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego – Mateuszem Mazelanikiem i Adam Leszczyńskim – zbudował Pan pierwszy w Polsce procesor kwantowy. Jak do tego doszło i na jakich zasadach on działa?

Najkrócej rzecz ujmując, nasze urządzenie to chmura zimnych atomów, które mogą absorbować i potem emitować światło, a konkretnie pojedyncze fotony. Mogą więc one w wydajny sposób przechowywać i przetwarzać informacje ze światła. Natomiast oryginalną ideą – którą zaprezentowaliśmy już kilka lat temu – było to, że wspomniane rozwiązanie działa jako pamięć kwantowa. Czyli można foton przyjąć i odtwarzać po jakimś czasie z dokładnością do pojedynczej jego cząstki. Jest to istotna różnica wobec np. aparatu fotograficznego, którym możemy zrobić zdjęcie, obejrzeć to samo światło i to też będą fotony.

W naszym wypadku mamy jednak do czynienia z niezwykłą, kwantową dokładnością. Pomyśleliśmy zatem, że pomiędzy zapisaniem a odtwarzaniem tego fotonu w naszej kwantowej pamięci moglibyśmy dokonać jakiejś operacji. A ponieważ odbywa się ona na poziomie pojedynczych fotonów w niej przechowywanych, jest to już rodzaj procesowania kwantowego. Dlatego nasze rozwiązanie można nazwać procesorem kwantowym, choć nie jest on na pewno modelem mainstream’owym.

Natomiast nasz procesor kwantowy jest modelem, który może przydać się choćby w zastosowaniach pomiarowych czy telekomunikacyjnych. Zakłada on bowiem dokonywanie pewnych operacji bezpośrednio na świetle. Dlatego też to, co zaprezentowaliśmy w naszym artykule, który ukazał się na łamach prestiżowego czasopisma Nature, to kwantowy analizator widma.

Urządzenie to znane jest choćby wielu inżynierom zajmującym się elektroniką. W przypadku światła oznacza to, że chcemy zanalizować różne jego kolory. Dodajmy jednak od razu, że mówimy o zagadnieniu, w którym mamy światło różniące się kolorami o malutki ułamek procenta – mamy więc dwa kolory i chcemy je odróżnić. Normalnie jest to bardzo trudne, ponieważ podczas analizy np. na spektrometrze czy analizatorze widma, kolory te będą się nam zupełnie zlewać. Nasze urządzenie pozwala takie bardzo zbliżone kolory – czy też częstości światła – odróżnić przy pomocy efektów kwantowych.

Z tego co przeczytałem urządzenie pozwala uzyskać aż 20-razy więcej informacji niesionych przez światło. Jak to jest możliwe?

Aby zrozumieć na czym polega trik, musimy najpierw wyobrazić sobie dwa kolory, które chcemy odróżnić. Normalnie, jeśli fotony przychodzą do nas z jakiegoś dwukolorowego źródła to rejestrujemy je np. na pikselach kamery, która jest fragmentem klasycznego spektrometru. Wtedy foton jest – losowo – jednego bądź drugiego koloru. Ponieważ zaś mamy skończoną dokładność, to kolory się zlewają. Walczymy więc z fundamentalnym ograniczeniem odkrytym ponad 100 lat temu.

Natomiast nasze rozwiązanie mierzy każdy foton w tzw. superpozycji. Mówi się bowiem, że bit to jest 0 i 1, a kubit może być w dowolnej superpozycji 0 i 1. W pewnym sensie może być więc jednocześnie 0 i 1, przy czym jest w nim zapisanych wiele więcej informacji. Często wyobrażamy sobie nawet, że bit jest swego rodzaju strzałką. Kubit zaś to z kolei cała powierzchnia – sfery czy kuli. Kubit może się więc znajdować w dowolnym kontinuum pomiędzy 0 a 1. Podobnie nasze dwa fotony.

Dwukolorowy foton możemy zmierzyć jako kubit, który jest jednocześnie jednego, jak i drugiego koloru. Dzięki takiemu pomiarowi zyskujemy niezwykłą czułość na różnicę między tymi dwoma kolorami. Okazuje się również, że w szczególności można osiągnąć dowolnie duże polepszenie według – wspomnianego wcześniej – fundamentalnego limitu. Z kolei możliwości techniczne naszego urządzenia kwantowego powodują, że jest to akurat dokładnie 20 razy więcej informacji dotyczących różnicy pomiędzy tymi dwoma kolorami przypadających na każdy foton.

A jak urządzenie to radzi sobie podczas pomiarów z tzw. szumem kwantowym?

Szumy kwantowy jest dokładnie tym co nas ogranicza do 20, a nie nieskończoności. W rzeczywistości można nawet powiedzieć, że te szumy są efektami tego, iż nasze urządzenie kwantowe próbuje powrócić do świata klasycznego. Bo należy pamiętać, że utrzymanie różnych obiektów w tzw. czystym stanie kwantowym jest trudne. Pomiar superpozycji też jest trudny. Natura próbuje bowiem przywrócić kubit do stanu, w którym ten znów stałby się bitem. I tak dzieje się też w naszym przypadku. Zapobieżenie temu wymaga zastosowania zaawansowanej inżynierii. Dlatego np. nasze atomy są izolowane i chłodzone laserami do temperatury 20 µK (mikro Kelwinów), czyli 20 milionowych stopnia powyżej zera absolutnego. To pozwala nam uniknąć tych szumów.

Przejdźmy do możliwości praktycznego zastosowania Waszego procesora. Wspominał Pan o telekomunikacji… W jaki sposób takie przetwarzanie światła może być w niej przydatne?

Większość z nas ma teraz podłączone do domów światłowody, w których liczy się każde włókno. Każdym z nich chcemy bowiem przesłać jak najwięcej informacji. W komunikacji światłowodowej najwyższego rzędu używa się wielu różnych kanałów, czy też inaczej kolorów światła. Ponieważ nasze urządzenie jest w stanie rozróżniać dwa bliskie sobie kolory mogłoby to też spowodować, że informacje dałoby się gęściej w tych kolorach zakodować, a potem rozkodowywać.

Tego typu przetwarzanie światła mogłoby być też potencjalnie przydatne w telekomunikacji ponieważ umożliwiłoby – w pewnym zakresie – pominięcie warstwy elektronicznej. Czyli nie musielibyśmy światła wykrywać, przetwarzać w komputerze jako sygnału elektronicznego, a potem wysłać gdzieś dalej, np. w routerze. Przetwarzanie mogłoby się zatem odbywać na poziomie pojedynczych fotonów. Obniżałoby to ping w takiej sieci.

Obecnie nasze rozwiązanie jest jednak zaadoptowane do spektroskopii atomowej, a więc działa w nieco węższym zakresie, aby mogło być użyte w telekomunikacji. Jednakże pracujemy już nad tym, aby móc zaaplikować nasz protokół – zaproponowany w artykule w Nature i używany w naszym rozwiązaniu – do urządzeń adekwatnych do sieci światłowodowych.

Czy widzi Pan jeszcze jakieś inne możliwości zastosowania procesora kwantowego opracowanego w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego?

Techniki, dzięki którym chcemy zakodować jak najwięcej informacji w każdym fotonie, bardzo liczą się także np. w komunikacji kosmicznej. I o ile nie jest to jeszcze, aż tak istotne w przesyłaniu informacji na orbitę, tak staje się niezwykle ważne jeśli chcemy się komunikować z odległymi satelitami. Okazuje się bowiem – i nad tym pracują obecnie moi koledzy teoretycy – że komunikacja optyczna w wypadku skomunikowania się z satelitą, który np. leci na Marsa, zaczyna być bardziej opłacalna niż ta tradycyjna, radiowa. Również ilość światła, która dociera do Ziemi z takiego satelity czy statku kosmicznego jest ograniczona. Zatem wydajne kodowanie informacji w fotonie i rozkodowywanie na Ziemi takim urządzeniem jak nasze, mogłoby być potencjalnie nawet bardziej istotne niż w sieciach światłowodowych.

A istnieje możliwość zastosowania także w cyberbezpieczeństwie?

Tak, szczególnie bliska jest nam kryptografia kwantowa, która jest bezpieczna pod względem potencjalnego ataku wykonanego przy pomocy komputera kwantowego. Niejako sama zabezpiecza się kwantowością. Stworzona przez nas pamięć kwantowa może służyć – mamy nawet prace na ten temat – jako tzw. kwantowy wzmacniacz sygnału.

Jednym z popularnych protokołów komunikacji kwantowej jest ten zaproponowany przez Artura Ekerta, polskiego fizyka i matematyka. Wykorzystuje on splątane stany światła. Przesłanie takich stanów jest trudne na duże odległości. Natomiast nasze urządzenie może ten problem rozwiązywać poprzez wzmacnianie kwantowego sygnału nie jak zwykły wzmacniacz, a poprzez kwantowe, zawikłane triki. Nasze prace są więc blisko związane z tym problemem.

Mówił Pan już o zastosowaniach w telekomunikacji, komunikacji kosmicznej i cyberbezpieczeństwie. Czy jest jeszcze jakaś inna dziedzina, w której można zastosować Państwa komputer kwantowy?

Obliczenia kwantowe. Są one bowiem związane bardzo szeroko z naszym know-how w technikach atomowych. Modyfikując nieco nasz protokół można myśleć o tym, aby uzyskać szerszy zakres operacji kwantowych.

Czy to oznacza, że moglibyście zbudować komputer kwantowy?

Moglibyśmy. Oczywiście taki w bardziej konwencjonalnym sensie, niż ten procesor światła kwantowego, który obecnie posiadamy. Bo choć można go nazywać procesorem kwantowym, to nie prezentuje on jednak głównego nurtu projektowania komputerów kwantowych. Co jednak istotne, mamy już własny know-how i design, więc zrobilibyśmy to po prostu inaczej. Są to jednak dopiero plany na najbliższe lata.

Wiadomo, że konkurencja w tej dziedzinie jest bardzo duża. Na rynku komputerów kwantowych, nie jest tak, jak przy komputerach klasycznych, które wszystkie funkcjonują na krzemie. W komputerach kwantowym mamy obecnie co najmniej kilkanaście, zupełnie różnych technologii. My akurat jesteśmy specjalistami w tej wykorzystującej atomy i światło. Zdecydowanie więc poszlibyśmy w tym kierunku, ale w taki sposób, aby mieć nie tylko samo urządzenie, lecz by stworzyć także rodzimy design tej przyszłej maszyny.

Rozważamy stanięcie do wyścigu w budowie komputera kwantowego, zwłaszcza, że kto wie czy fundamentalna fizyka nie będzie w nim w pewny sensie „złośliwa” dla niektórych platform. Nie da się bowiem przewidzieć w tym momencie, która z nich zwycięży, a dla której jakiś fundamentalny, fizyczny efekt okaże się nagle niemożliwy do przeskoczenia i to mimo wpompowania w prace B+R miliardów dolarów.

Zastosowania Państwa procesora kwantowego mogą być jeszcze szersze?

Powiedziałbym nawet, że jest trochę tak, iż nie wiadomo na czym teraz dokładnie się skupić (śmiech). To jest oczywiście duże szczęście, że udało nam się wymyślić urządzenie, które okazuje się być aplikowalne w tylu różnych scenariuszach.

Z jakim więc oddźwiękiem świata naukowego spotkało się Wasze rozwiązanie? Jak wygląda konkurencja na świecie w tej dziedzinie?

Co ciekawe, idea aby w taki sposób pozyskiwać informacje z każdego fotonu powstała w świecie naukowym dopiero ok. roku 2016, czyli stosunkowo niedawno. Ale dotyczyła obrazowania, a nie spektroskopii, a więc nie dwóch kolorów lecz dwóch punkcików. Byliśmy zresztą autorami jednej z pierwszych demonstracji zastosowania tej idei.

Zrobiliśmy najpierw eksperyment z obrazowaniem. W 2018 roku spotkał się on nawet z dużym odzewem środowiska naukowego. Po nim zaczęliśmy zastanawiać się jak to samo wykonać w spektroskopii. Z kolei nasz obecny artykuł – jeszcze zanim opublikowano go w Nature – był już kilkukrotnie cytowany. Zatem w metrologii kwantowej, nauce zajmującej się tym, jak lepiej mierzyć wszelkie rzeczy, temat ten zyskuje coraz większą popularność.

A jak na Wasze rozwiązanie zareagował biznes? Macie już może zapytania komercyjne?

Mamy, jednak rozwiązanie nie jest jeszcze gotowe do sprzedaży. Wymagałoby ono dalszej inwestycji w stworzenie może nie prototypu – bo on już jest – ale modelu, który można by wykorzystać do innych zastosowań. Natomiast mamy szerokie plany, aby pójść w różne strony i upraktycznić nasze rozwiązanie.

Na ile technologia, której używacie jest unikalna na rynku komputerów kwantowych?

W świecie naukowym mało jest obecnie takich rozwiązań, które miałaby tylko jedna grupa naukowców. Nasz technologia jest natomiast bardzo nowa. Dopiero w grudniu 2021 roku pojawił się pierwszy startup, który wykorzystuje podobne do naszego rozwiązania i jest on stworzony przez Harvard (Uniwersytet Harvarda) i MIT (Massachusetts Institute of Technology). To pokazuje, że jest to jedna z obiecujących technologii i że warto się nią zainteresować. My natomiast mamy know-how jak zrobić to inaczej.

Inaczej, czyli?

Nasz know-how dotyczy m.in. tego, aby kubity układać w trzech wymiarach. Współczesne procesory są zwykle dwuwymiarowe, a my mamy spore doświadczenie w układaniu fotonów w naszej pamięci kwantowej w trzech wymiarach. Dzięki temu znacząco zwiększamy ilość i pojemność informacji jaką przetwarzamy. I to jest fragment naszego unikalnego know-how, które chcielibyśmy wykorzystać.

Macie unikalne know-how i pomysły jak je praktycznie wykorzystać. Czego zatem brakuje, aby ruszyć z tym projektem? Finansowania?

Dodajmy, że mamy też specjalistów, którzy są bardzo dobrzy w tych technologiach. Należy jednak pamiętać, że wciąż jesteśmy grupą naukową. W Polsce o ile finansowanie jest całkiem niezłe, tak nie do końca pozwala na duże ryzyko, choćby w porównaniu do tego co widziałem pracując w Niels Bohr Institute na Uniwersytecie w Kopenhadze.

Brakuje w Polsce wsparcia najbardziej ryzykownych projektów. Będąc grupą pracowników naukowych, doktorantów i studentów, musimy przede wszystkim dbać o to, aby nieustannie wykazywać się sukcesami publikacyjnymi. Jest to bowiem to, co liczy się we współczesnej, polskiej nauce. Nie możemy więc pozwolić sobie na rzucenie wszystkich sił w projekty najbardziej ryzykowne. A ten niewątpliwie takim by był.

Z drugiej strony, należy podkreślić, że i tak poczyniliśmy duży postęp choćby przez ostatnie 10 lat od kiedy sam uczestniczę w pracach naukowych, nie mówiąc już o okresie 20, ostatnich lat. Postęp cywilizacyjny jaki dokonał się w polskiej nauce w tym czasie był naprawdę ogromny. Nie należy natomiast oczekiwać, że we wszystkich aspektach dogoniliśmy już choćby tych, co najwięcej ryzykują, a przez to najwięcej zyskują.

Rozumiem, że publikacje są ważne. A czy myślą Państwo o patentowaniu swoich rozwiązań, tak jak robią to duże firmy, które pracują nad technologiami kwantowymi?

W skrócie – tak, patentujemy, nawet względnie intensywnie, chociaż bardzo ciężko patentuje się rozwiązania w całości, więc skupiamy się na pewnych wybranych aspektach i metodach. Mogą to być też rozwiązania przydatne w innych, podobnych urządzeniach. Mimo patentów które posiadamy wydaje mi się, że większą wartość mamy w zasobach ludzkich. Język patentowy jest też wyjątkowo ciężki względem tego z publikacji, więc to publikacje są najważniejsze w przyciąganiu zainteresowanych naszymi wynalazkami.