Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego zbudowali pierwszy w Polsce procesor kwantowy i wykorzystali go w praktyce – w spektroskopii. Pokazali, jak dzięki kwantowemu przetwarzaniu informacji można bardziej wydajnie wyciągać informacje o materii schowane w świetle.
Fizycy z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych oraz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego kilka lat temu zaprojektowali i zbudowali pierwszą w Polsce pamięć kwantową, która dzięki dalszemu rozwojowi stała się teraz też procesorem kwantowym. Jednym z konstruktorów był dr Michał Parniak, specjalista od technologii komunikacji optycznej, bohater grudniowego numeru „Forum Akademickiego”, w którym przedstawialiśmy naszych rówieśników, naukowców urodzonych dokładnie 30 lat temu. W jubileuszowym materiale prezentował nam swoje dotychczasowe dokonania. Wśród nich urządzenie, które potrafi zapamiętać światło i przechowywać je w kwantowej pamięci. Różni się od aparatu fotograficznego tym, że zachowuje dokładność co do pojedynczego fotonu.
Nasz procesor oparty jest na chmurze zimnych atomów, chłodzonych laserowo, która jest zawieszona w próżni i może zarówno generować pojedyncze fotony, jak i przechowywać światło z zewnątrz – opisywał dr Parniak, na co dzień kierownik Laboratorium Urządzeń Kwantowo-Optycznych.
Teraz – w publikacji, która ukazała się w „Nature Communications” – on i jego doktoranci: Mateusz Mazelanik i Adam Leszczyński pokazują, że urządzenie to może rozwiązywać realne problemy, z którymi nie poradziłyby sobie standardowe procesory: można go wykorzystać jako element superrozdzielczego spektrometru.
Wyciskamy z pojedynczych fotonów tyle informacji, ile tylko się da. Pomiar staje się więc bardzo wydajny – komentuje pierwszy autor pracy Mateusz Mazelanik.
Niezbyt mroczne widmo
W świetle, które dociera do nas z różnych obiektów, zaszytych jest mnóstwo informacji – m.in. o materii, z której te obiekty są zbudowane. Informacje te są widoczne w tzw. widmie światła (widmo widać np. po rozszczepieniu światła w pryzmacie). I tak na przykład światło, które dochodzi do nas z jakiejś gwiazdy, zawiera informacje o pierwiastkach, z jakich ta gwiazda jest zbudowana (stąd wiemy, z czego zbudowane są gwiazdy w innych galaktykach). Zaś jeśli przepuścimy światło przez roztwór lub materiał, jesteśmy w stanie ustalić, z czego jest on złożony – np. czy zawiera jakieś toksyny. Nauka, która zajmuje się pozyskiwaniem i analizowaniem tego typu informacji, to spektroskopia (inaczej też spektrometria). Korzystają z niej na co dzień biolodzy, fizycy, astronomowie, chemicy czy lekarze.
W spektroskopii jest jednak istotne ograniczenie – tzw. limit Rayleigha. Przewiduje on, że informacji ze światła nie można wyciągać z nieskończenie dużą dokładnością. Niektóre sygnały w widmie ukryte – tzw. linie spektralne – mogą być bowiem tak bardzo do siebie zbliżone, że tradycyjne spektrometry optyczne nie radzą sobie z rozróżnianiem ich.
Nasze urządzenie i algorytm pozwalają nie tylko lepiej wydobywać informacje niesione przez światło, ale mogłyby pozwolić lepiej informację w świetle „upchnąć” – podkreśla dr Parniak.
I zaznacza, 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.
Choć na świecie pojawiły się już pomysły, jak obejść limity spektroskopii, to badacze z UW pokazali, jak zrobić to w zupełnie nieszablonowy sposób: za pomocą rozwiązań z zakresu informatyki kwantowej. Bo tam, gdzie fizyka klasyczna sobie nie radzi, fizyka kwantowa oferuje czasem całe spektrum nowych możliwości. Zbudowali urządzenie, które pozwala uzyskać w spektroskopii dużą rozdzielczość (15 kHz lub też czterdzieści części na bilion) przy użyciu niewielkiej ilości światła z danego obiektu.
Nasz spektrometr bije klasyczny limit używając 20 razy mniej fotonów niż hipotetyczny tradycyjny spektrometr. Jednak nasz rekord jest też absolutny, bo klasyczne urządzenie o podobnej rozdzielczości właściwie nie istnieje – zauważa Mateusz Mazelanik.
Obliczenia w chmurze… atomów
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.
Wpadliśmy na pomysł, jak procesor kwantowy wykorzystać do rozwiązania konkretnych problemów z zakresu spektroskopii – zwraca uwagę dr Michał Parniak, który po doktoracie na Uniwersytecie Warszawskim wyjechał do Kopenhagi, do Instytutu Nielsa Bohra.
Po postdoku wrócił na macierzystą uczelnię i dziś pracuje w Centrum Nowych Technologii UW, które jest siedzibą Międzynarodowej Agendy Badawczej – Centrum Optycznych Technologii Kwantowych. Zespół fizyków doświadczalnych pracujących w tej jednostce składa się ze specjalistów oraz studentów i doktorantów głównie z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Młody zespół nie tylko konstruuje unikalne urządzenia kwantowe na potrzeby praktyczne, ale również bada fundamentalne granice mechaniki kwantowej. Długie badania, które pozwoliły uzyskać najnowsze wyniki, finansowane były m.in. w ramach ministerialnego Diamentowego Grantu, którym kierował Mateusz Mazelanik, oraz przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu PRELUDIUM (kierownik Adam Leszczyński). Mateusz Mazelanik jest także stypendystą Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w programie START. To właśnie FNP finansuje Centrum Optycznych Technologii Kwantowych
MK, źródło: UW