Procesor kwantowy wykorzystany w spektroskopii, kwantowy generator liczb losowych testowany przez chilijską loterię, urządzenia do weryfikacji kwantowych technologii, okładka „Nature”, a do tego pierwszy hub kwantowy w tej części Europy. W ostatnim czasie sporo się dzieje w polskich kwantach. Z okazji przypadającego dziś World Quantum Day przypominamy najważniejsze osiągnięcia ostatnich miesięcy.
Dlaczego 14 kwietnia? Dla fizyków kwantowych odpowiedź na to pytanie jest banalnie prosta. Ta data w kalendarzu nawiązuje (w zaokrągleniu) do pierwszych cyfr stałej Plancka: 4,135667696 × 10-15 eV.s = 0,000 000 000 000 004 135667696 eV·s, która jest podstawową stałą rządzącą fizyką kwantową. Obchody #WorldQuantumDay to oddolna inicjatywa naukowców z ponad 65 krajów zajmujących się kwantami. Jak tłumaczą pomysłodawcy przedsięwzięcia, ma ono na celu zaangażowanie ogółu społeczeństwa w zrozumienie i dyskusję na temat kwantowej nauki: jak pomaga nam ona zrozumieć naturę na jej najbardziej podstawowym poziomie, w jaki sposób przyczyniło się to do opracowania technologii, które są dziś kluczowe dla naszego życia oraz jak wpłynie na na przyszłe rewolucje naukowe i technologiczne. Tym bardziej, że rozwiązania, których rozwój można zaobserwować w ostatnich latach, będą miały wpływ na to, jak się komunikujemy i przetwarzamy informacje.
W tej rewolucji uczestniczą też polscy naukowcy. Na Uniwersytecie Warszawskim zbudowano pierwszy w kraju procesor kwantowy i wykorzystano go w praktyce – w spektroskopii. Fizycy z UW pokazali, jak dzięki kwantowemu przetwarzaniu informacji można bardziej wydajnie wyciągać informacje o materii schowanej w świetle.
Nasze urządzenie i algorytm pozwalają nie tylko lepiej wydobywać informacje niesione przez światło, ale mogłyby pozwolić lepiej informację w świetle „upchnąć” – podkreśla dr Michał Parniak, zaznaczając, że pomysł ten można by było też wykorzystać choćby w rozwiązaniach dla telekomunikacji, w której coraz bardziej istotne staje się jak najbardziej wydajne zapisywanie informacji w świetle i odczytywanie jej.
Procesor, który powstał na UW, wykorzystuje do obliczeń logicznych chmurę złożoną z paru miliardów schłodzonych atomów rubidu umieszczonych w próżni. Jeśli atomy te umieści się w polu magnetycznym i odpowiednio oświetli laserem, można je kontrolować tak, żeby wykonywały konkretne operacje logiczne. W tym np. mogą one przetwarzać informacje o widmie światła, którym są oświetlone. W obliczeniach wykorzystywane są efekty kwantowe, dlatego obliczenia „w zimnej atomowej chmurze” nie zastępują po prostu tradycyjnych obliczeń zero–jedynkowych, ale dają tu zupełnie nową jakość.
Z kolei na Uniwersytecie Gdańskim skonstruowano kwantowy generator liczb losowych. Wykorzystuje metodę szyfrowania opartą na zjawisku interferencji, które jest łatwiejsze do zaobserwowania niż wykorzystywane do tej pory zjawisko tzw. kwantowej nielokalności. W mechanice kwantowej interferometr można ustawić tak, aby całe światło skierować w jedną lub w drugą stronę albo po połowie – w obie strony.
Jeżeli osłabimy światło do pojedynczego fotonu, nie jesteśmy w stanie przewidzieć jego kierunku. Losowość staje się niemal stuprocentowa. Urządzenie, w którym zastosowano tę metodę, jest także samotestujące się, a zatem wykrywa i reaguje w czasie rzeczywistym na ataki hackerskie. Zjawisko interferencji pozwala na miniaturyzację urządzeń. Będą mieściły się w pudełku i kosztowały kilka rzędów wielkości mniej – przekonuje autor rozwiązania dr hab. Marcin Pawłowski.
Urządzenie testowane jest przez Lotería de Concepción, może mieć także zastosowanie w kasynach online. Ale swoją prawdziwą moc ma szansę pokazać w obszarach komunikacji w zakresie tzw. infrastruktury krytycznej – pomiędzy agencjami wywiadowczymi, policją, na poziomie firm energetycznych i w wielu innych newralgicznych obszarach funkcjonowania państwa.
Nad innowacyjną technologią druku wielowarstwowych diod elektroluminescencyjnych opartą na kropkach kwantowych pracują naukowcy z Politechniki Łódzkiej.
Kropki kwantowe są obiecującą klasą związków emisyjnych, które mogą być przetwarzane technikami roztworowymi. Dodatkowo wykazują unikatowe cechy, takie jak: wąskie widma fotoluminescencji, czyste barwy i łatwość przestrajania maksimum emisji – wyjaśnia liderka projektu dr hab. inż. Beata Łuszczyńska.
Zastosowanie nowej technologii druku strumieniowego z innowacyjnym wykorzystaniem warstwy wstrzykującej elektrony pozwoli na łatwe uzyskanie powierzchni emitujących światło o dowolnych wzorach, bez konieczności stosowania naparowania próżniowego i masek cieniowych. Takie rozwiązanie obniży koszty produkcji oraz zapewni istotny postęp w wytwarzaniu wysokowydajnych QD-LED o szerokim spektrum zastosowań, takich jak np. panele oświetleniowe, tablice informacyjne czy reklamowe.
Kwantową naturę świata zgłębia także dr hab. Michał Tomza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Jego zespół, jako pierwszy, zaobserwował rezonanse Feshbacha pomiędzy pojedynczym jonem i ultrazimnymi atomami. Artykuł podsumowujący wyniki ich badań, prowadzonych we współpracy z uczonymi z Uniwersytetu we Fryburgu, ukazał się w grudniowym numerze „Nature”. Publikacja została dodatkowo wyróżniona na okładce czasopisma.
Ultrazimne układy jon-atom mają wiele potencjalnych zastosowań, takich jak obliczenia i symulacje kwantowe, wymagają jednak uzyskania znacznie niższych temperatur niż gazy neutralnych atomów. Kilka grup doświadczalnych latami pracowało na ten sukces przy wsparciu obliczeniowym m.in. fizyków z Warszawy. Wyniki otwierają drogę do kolejnej generacji eksperymentów, w których stan kwantowy jonu będzie można znacznie łatwiej kontrolować. Niższa energia i dłuższy czas życia jonu pozwolą na zbadanie nowych zjawisk i wytworzenie nowych interesujących stanów kwantowej materii, które z jednej strony pomogą lepiej zrozumieć kwantową naturę świata, a z drugiej – będą kolejnym elementem rodzących się technologii kwantowych. Można spodziewać się, że rezonanse Feshbacha pomiędzy jonem i atomami zostaną w krótkim czasie zaobserwowane również dla innych kombinacji
pierwiastków.
W Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk powstają urządzenia do sprawdzania, czy kwantowe technologie działają poprawnie. W przedsięwzięciu biorą udział badacze z kilku europejskich ośrodków.
Postęp technologiczny stwarza potrzebę zaprojektowania wydajnych narzędzi pozwalających stwierdzić, czy urządzenia kwantowe działają zgodnie ze specyfikacją i wytwarzają poprawny wynik. Drugim wyzwaniem jest charakteryzacja zjawisk kwantowych, na których oparte są te urządzenia – tłumaczy istotę prac dr hab. inż. Remigiusz Augusiak, koordynator projektu „VERIfication of quantum Technologies, Applications and Systems” finansowanego z programu QuantERA II.
Sieć QuantERA (ERA-NET Cofund in Quantum Technologies) wspiera europejskie ośrodki w wyścigu o rozwój kwantowych technologii. Polska odgrywa w jej działaniu kluczową rolę – koordynatorem sieci, która łączy obecnie 39 agencji badawczych z 31 europejskich państw i wspólnie ogłasza konkursy na granty jest Narodowe Centrum Nauki. W ostatnim konkursie wyróżniono w sumie 15 projektów z udziałem naukowców z Polski.
Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe, afiliowane przy Instytucie Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk, dołączyło do sieci IBM Quantum Network, by rozwijać technologie obliczeń kwantowych i ich zastosowań w różnych dziedzinach, nie tylko nauki, ale także życia codziennego. Tym samym w stolicy Wielkopolski uruchomiono pierwszy w Europie Środkowo-Wschodniej hub kwantowy.
Komputery kwantowe pozwolą przeprowadzić najbardziej skomplikowane, wieloczynnikowe i wieloparametryczne symulacje w złożonych oraz dynamicznych procesach z zakresu inżynierii materiałowej oraz nauk o życiu, w tym chemii i biomedycynie oraz innowacji w przemyśle farmaceutycznym. Polska będzie je wykorzystywać na potrzeby cyberbezpieczeństwa i sztucznej inteligencji, w tym także jako wsparcie dla innowacyjnych rozwiązań w przemyśle, technologiach kosmicznych, metrologii czy też w modelowaniu kryzysowym.
MK