Opracowaniem i budową od podstaw pierwszej w Polsce infrastruktury dla komputera kwantowego zajmują się naukowcy zaangażowani w projekt MIKOK. Liderem konsorcjum badawczo-rozwojowego jest Politechnika Warszawska.
Technologie kwantowe to jeden z kluczowych obszarów badań we współczesnej nauce i przemyśle high-tech. Stanowią rewolucję nie tylko w fizyce eksperymentalnej, są również pożądanym rozwiązaniem technologicznym w takich branżach, jak kryptografia, farmaceutyka czy optymalizacja procesów biznesowych. Ich potencjalne zastosowania obejmują m.in. przewidywanie struktury nowych cząsteczek chemicznych, optymalizację skomplikowanych procesów biznesowych czy szyfrowanie danych, a z uwagi na ich wysoką wydajność, znacznie przewyższają dostępne obecnie klasyczne superkomputery.
Nad komputerem kwantowym pracuje wiele zespołów badawczych na świecie. Przykładem tego typu prac jest m.in. realizacja prototypu infrastruktury komputera kwantowego w ramach projektu MIKOK finansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. W projekt zaangażowane są: Wojskowa Akademia Techniczna, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Politechnika Śląska oraz firma SONOVERO R&D. Liderem przedsięwzięcia jest Politechnika Warszawska.
Uczestnicy konsorcjum pracują nad zintegrowaną infrastrukturą komputera kwantowego złożoną z ultraprecyzyjnych laserów, układów optoelektronicznych, systemów elektronicznych, systemów komputerowych wraz ze specjalistycznym oprogramowaniem. Inżynierowie chcą doprowadzić do pełnego sterowania procesami kwantowymi uzyskanymi na bazie schłodzonych laserowo jonów wapnia. To kluczowy element w budowie bramek kwantowych umożliwiający tworzenie algorytmów kwantowych.
Choć nazwa sugerować może pewne ograniczenia, pułapki jonowe są rozwiązaniem bardzo pożądanym i niezbędnym, gdy mowa jest o stworzeniu procesora kwantowego (w analogii tej funkcji) jako „serca” komputera. Technologia komputerów kwantowych na pułapkach jonowych może zrewolucjonizować wiele dziedzin. Systemy oparte na pułapkach jonowych cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na długie czasy koherencji i wysoką dokładność sterowania procesami kwantowymi.
Technologia ta znana jest na świecie od ponad dwóch dekad, ale wyzwaniem w jej opracowaniu są m.in. korelacja liczby kubitów (czyli kwantowych bitów), poprawa czasu ich koherencji oraz tworzenie nowych algorytmów i oprogramowania kwantowanie. Praktyczna realizacja algorytmów na komputerze kwantowym wymaga stworzenia i stabilnego utrzymania kubitów oraz ich odpowiedniego splątania. Na potrzeby polskiego komputera kwantowego w WAT przygotowano kubity optyczne w pułapce. Atomy wapnia były uwalniane w wyniku ablacji laserowej, selekcjonowane optycznie i fotojonizowane. Do wstępnego chłodzenia laserowego jonów wykorzystano metodę Dopplera. Następnie optoelektronicy zajęli się przygotowaniem i odczytem stanu kwantowego kubitów, wykorzystując bardzo czuły, przeznaczony do tego detektor matrycowy – kamerę.
Konsorcjum opracowuje technologie dla komputerów kwantowych opartych na pułapkach jonowych typu „blade” Ca40 do 100 jonów, wspieranych zintegrowanymi systemami optycznymi, sterowania i odczytu, rozwijając kompletny „stos kwantowy”, czyli zintegrowany zestaw komponentów sprzętowych i programowych, który pozwoli w pełni wykorzystać potencjał komputerów kwantowych. Pracuje także nad integracją sprzętu i oprogramowania, w tym układów scalonych dla nowej generacji procesorów kwantowych i kompilatorów do eksperymentów kwantowych. Niektóre komponenty, np. lasery, są kupowane od zagranicznych dostawców, jednak kluczowe elementy, jak elektronika sterująca czy oprogramowanie do optymalizacji obliczeń kwantowych, są efektem prac zespołu MIKOK i powstają wyłącznie w Polsce.
Rozwijana przez nas od ponad dekady szybka elektronika jest jedną z najlepszych na świecie i jest sercem naszej infrastruktury. Z powodzeniem stosują ją wiodące zespoły na świecie do prac nad budową komputerów kwantowych, zegarów atomowych i sensorów. Konstruowana przez nas infrastruktura jest wyposażana w najnowszą wersję tych układów elektronicznych – podkreśla prof. Jan Szmidt z Politechniki Warszawskiej, kierownik projektu MIKOK.
Systemy testowane w laboratoriach CEZAMAT Politechniki Warszawskiej działają. Procesy sterowane są przez lasery, a dane uzyskiwane poprzez manipulacje optyczne przekazywane są do systemu elektronicznego i informatycznego. W niedalekiej przyszłości będą końcowo przetwarzane na wyższych poziomach i obsługiwane za pomocą specjalnego oprogramowania.
Będziemy mieli we własnych rękach urządzenie pozwalające na wytworzenie, zmianę i odczyt stanów kwantowych, niezbędnych do przeprowadzenia algorytmów kwantowych. Naszym zadaniem inżynierskim w tym projekcie było zapewnienie: działania infrastruktury kwantowej, możliwości utrzymania stanów kwantowych i możliwości obliczeń w określonym czasie. I to właśnie nazywamy polskim komputerem kwantowym – tłumaczy płk. dr hab. inż. Marek Życzkowski z Instytutu Optoelektroniki WAT.
MK, źródło: PW, WAT