Technologie kwantowe to kolejny etap rewolucji cyfrowej
Fot. Tomasz Kowalczyk
Rozmowa z dr. Michałem Parniakiem, laureatem II edycji
Nagrody im. Franka Wilczka
Decyzją Kapituły Nagrody im. Franka Wilczka został Pan Laureatem drugiej edycji konkursu za osiągnięcie „Opracowywanie nowych platform eksperymentalnych dla badań i technologii kwantowych oraz ich wykorzystanie do demonstracji najnowszych zjawisk i protokołów kwantowych”. Platformy eksperymentalne dla badań kwantowych — co to właściwie oznacza? Czy możemy wyjaśnić to prostszymi słowami? Jaki byłby konkretny przykład takiej platformy?
Przyznana nagroda to dla mnie wielki zaszczyt i też motywacja do dalszej pracy nad ambitnymi problemami. Co jest kluczowe, rzeczywiście zajmowałem się kilkoma platformami. Dziś w technologiach kwantowych mamy bardzo wiele różnych układów fizycznych wykazujących ciekawe cechy, które mogą dać źródło ciekawym zastosowaniom. Komputery klasyczne, które mamy w domach, opierają się dziś o jedną, bardzo zoptymalizowaną platformę, opartą na miedzi i krzemie. Ich niezwykła wydajność jest możliwa dzięki ogromnej pracy inżynierskiej poświęconej tej platformie. Komputery kwantowe są na wcześniejszym etapie, gdzie dziś mamy pewnie koło dwudziestu konceptów – platform. Dopiero odkrywamy, które z nich mają potencjał, i dlatego warto też badać różne platformy, co ja właśnie robiłem. Jako pierwszy przykład, podczas moich badań zaimplementowałem nowe protokoły przetwarzania informacji, w szczególności kwantowej, używając do tego atomów. Atomy, np. cezu lub rubidu, można bardzo łatwo kontrolować ze względu na ich względnie prostą strukturę. I tak atomy, których używałem, były chłodzone laserowo, a następnie używane do zapisywania, przetwarzania i odtwarzania światła. Podczas moich prac w Kopenhadze sprzęgałem też stany kwantowe takich atomów do makroskopowego oscylatora mechanicznego w formie membranki wykonanej z azotku krzemu. Co niezwykle ciekawe, udało się wykazać kwantowe cechy – splątanie – makroskopowej ilości atomów i tej makroskopowej membrany. Wyniki te były więc przede wszystkim ważne z fundamentalnego punktu widzenia. Mam jednak nadzieję, że dalszy rozwój wspomnianych platform da też wkład w ich zastosowania.
A co to oznacza z punktu widzenia przeciętnego człowieka — jak te technologie wpłyną na nasze życie, na życie naszych dzieci?
Mamy kilka podstawowych filarów technologii kwantowych, a każdy z nich może wpłynąć na codzienne życie. Używając komputerów i symulatorów kwantowych – gdzie wspomniane wcześniej atomy służą do obliczeń – mamy nadzieję zaprojektować na przykład nowe leki. Metrologia kwantowa to inna poddziedzina, gdzie również wspominane układy służą jako bardzo precyzyjne sensory, co może przydać się w medycznych badaniach laboratoryjnych. Wreszcie komunikacja kwantowa pozwala wysyłać informacje, które są zabezpieczone fundamentalnymi prawami fizyki. To technologia już implementowana, choć nie widzimy jej jeszcze w życiu codziennym. Łącznie rzecz biorąc, technologie kwantowe to po części kolejny etap rewolucji cyfrowej.
Wszyscy słyszeliśmy, że komputery kwantowe to przyszłość informatyki. Kiedy według Pana mogłyby one „trafić pod strzechy”, czyli wejść do masowej sprzedaży jako urządzenia użytku domowego? To brzmi dziwnie, ale przecież jeszcze w drugiej połowie XX wieku pojawiały się głosy, że nie ma powodu, aby ktokolwiek chciał mieć komputer osobisty w swoim domu…
To prawda, i na razie trudno też znaleźć powód, dla którego chcielibyśmy mieć w domu komputer kwantowy. Zasadniczo taki komputer nie jest wcale szybszy od zwykłego, klasycznego, ani domyślnie potężniejszy. Istnieją jednak pewne algorytmy i symulacje, które na takim komputerze będą działać znacznie szybciej, z użyciem mniejszej ilości zasobów fizycznych i energii. Takie problemy, związane na przykład z optymalizacją, projektowaniem molekularnym, nie wydają się być w tej chwili w sferze zainteresowań użytkownika prywatnego. Spodziewam się więc, że komputery kwantowe będą na razie dostępne jako zewnętrzne maszyny stojące w serwerowni, dostępne zdalnie. W rzeczywistości już takie urządzenia są dostępne, w małej skali nawet dla każdego! Brakuje im jeszcze jednak pamięci, czyli ilości dostępnych qubitów, aby rozwiązać prawdziwie praktyczne problemy. Jednak wraz z rozwojem sprzętu – nad którym pracuję np. ja – idzie też rozwój algorytmów i symulacji.
A telefon kwantowy? Czy ta sama technologia ma szansę sprawdzić się również w urządzeniach mobilnych?
Komunikacja kwantowa to proces, który pozwala wymienić klucz kryptograficzny, czyli pewne hasło, w sposób fundamentalnie zabezpieczony prawami fizyki. Wystarczy, że obie komunikujące się strony zmierzą swoje splątane cząstki. Odczytają z nich losowe, lecz perfekcyjne skorelowane ciągi zer i jedynek. Wtedy mogą już kontynuować komunikację zwykłym telefonem, używając szyfru z wygenerowanym kluczem kwantowym. I tak właśnie możemy się skomunikować z naszym bankiem w bezpieczny sposób, więc na pewno warto myśleć tutaj o szerokim rozpowszechnieniu. Czy mamy więc szansę taki moduł kwantowy do generacji klucza mieć w każdym telefonie? Sądzę, że może to być nie tak odległa przyszłość, bo protokoły, które to umożliwiają, mogą używać zwykłych światłowodów, albo światła w wolnej przestrzeni, powietrzu. Na początku taki moduł kwantowy nie będzie w pełni mobilny, zaczniemy więc od kwantowych telefonów stacjonarnych, ale to technologia moim zdaniem bliższa niż komputery kwantowe.
Jak dokładnie działa procesor kwantowy?
W procesorze kwantowym ogólnie przetwarzamy tzw. qubit zamiast bitów. Każdy qubit może przyjmować stan, który jest dowolną kombinacją 0 i 1, tzw. superpozycją kwantową. Procesor kwantowy musi wykonywać na takich qubitach bramki kwantowe, które są odpowiednikiem bramek logicznych w zwykłym procesorze. Łatwe do wykonania są bramki, w których udział bierze tylko jeden qubit, a trudniej robi się, gdy musimy zaimplantować bramki dwu i więcej qubitowe. Przeszkadza nam też proces dekoherencji, który zasadniczo polega na tym, że qubit traci swe kwantowe własności wraz z czasem przechowywania informacji i de facto staje się z powrotem zwykłym bitem, co gorsza często losowym. Ja do tej pory zajmowałem się problemem nieco obok, implantując podobne bramki jedno quditowe, gdzie to „d” oznacza, że są to stany idące do większych rozmiarów niż dwa, czyli można mieć dowolne kombinacje 0, 1, 2 i tak dalej, aż do dowolnej, dość dużej liczby d. Na przykład w mojej pamięci kwantowej osiągnęliśmy d rzędu sześciuset. Ogólnie pragnę podkreślić mnogość możliwości działania procesorów kwantowych, bo mamy też modele niebramkowe komputerów kwantowych, np. model obliczeń topologicznych czy model obliczeń na stanach klastrowych.
Czy komunikacja oparta na protokołach kwantowych będzie jeszcze szybsza niż tradycyjny światłowód lub szybka sieć szkieletowa?
O dziwo, potencjalnie tak! Wspomniałem, że typowa komunikacja kwantowa pozwala na bezpieczną transmisję danych przy pomocy klucza kryptograficznego. Mamy też jednak w zanadrzu na razie mniej popularne, nowsze protokoły, które właśnie celują w przyśpieszenie. Wykonując operacje kwantowe na fotonach w światłowodzie, chcemy upakować w nich informacje gęściej. Oznacza to, że maksymalna prędkość transmisji danych przez jeden światłowód zwiększa się. Przy okazji pozwoli to pominąć układy elektroniczne, które wprowadzają opóźnienia, co zmniejszy dobrze znany graczom „ping”. Pracujemy też nad szybką i efektywną konwersją między światłowodami a sieciami radiowymi typu 5G, co też zmniejszy opóźnienia związane z konwersją.
Jak wyobraża sobie Pan sobie telekomunikację przyszłości? Proszę na moment wczuć się w rolę pisarza SF. Jak może wyglądać Internet na przykład za sto lat?
Myślę, że nieunikniony w tak długim czasie, chociaż może nawet krótszym, jest Internet używający urządzeń w pełni optycznych i optymalnych kwantowo, który przez to będzie dużo szybszy i również będzie zużywał mniej energii. Mam nadzieję, że zobaczymy też niezwykle łatwe konwersje między różnymi falami (optycznymi, radiowymi), co da nam jeszcze większą wszechobecność Internetu. Technologie kwantowe pozwolą nam też uzyskać bezpieczeństwo tam, gdzie tego najbardziej potrzebujmy.
Wróćmy do badań podstawowych. Jak Pana prace badawcze wpływają na rozwój fizyki teoretycznej i eksperymentalnej?
Demonstracje protokołów, które pokazałem, są pewnym wstępem. W pracach zawsze rozważam, czy mogą być one zaimplantowane w innych platformach. Dlatego udaje się uzyskać spory odzew innych eksperymentatorów, którzy powtarzają podobne eksperymenty w swoich układach. Możemy wtedy porównać wyniki i zainspirować teoretyków do głębszych analiz. Co do samej strony moich eksperymentów, mają one na tyle unikalne własności, że pozwalają też teoretykom zrealizować ich wizje, więc chętnie wchodzę tutaj we współprace. Rozwijając swoje badania, napotykam jednak też coraz częściej na trudne problemy fundamentalne, które wymagają przyjrzenia się im od innej strony wspólnie z teoretykami. Na co dzień moje badania nie wydają się dotykać tych fundamentów równie mocno, jak fizyka cząstek elementarnych czy astronomia, ponieważ w założeniu staram się raczej zaimplementować jakiś nowy pomysł nieco naprzeciw naturze. Najciekawiej jest w sumie, kiedy się nie udaje, jeżeli istnieje nieznany wcześniej fundamentalny powód, albo w innym przypadku, jeśli okazuje się, że eksperymentalne obserwacje mają analogie np. w fizyce materii skondensowanej.
Co Pana inspiruje do badań?
W ogromnym stopniu kontakty z innymi naukowcami oraz ze studentami pracującymi pod moją opieką. Przez ostatnie lata, czyli od 2020 r., udało mi się zgromadzić bardzo zdolny i dynamiczny zespół – składający się głównie ze studentów i studentek, od licencjatu aż po doktorat, z Wydziału Fizyki UW – w którym praca jest inspirująca na co dzień. Od strony samej fizyki eksperymenty, które robię, są niezwykle interaktywne i często pozwalają zobaczyć nowe ciekawe efekty prawie codziennie. Tutaj inspiracja płynie z tego, że wkładając pracę w laboratorium – zresztą całkiem też przyjemną, związaną z manualną konstrukcją czy programowaniem – możemy po chwili zobaczyć efekty kwantowe na żywo.
Jakie są Pana plany naukowe na najbliższe lata? Czy jest jakaś dodatkowa dziedzina fizyki lub inżynierii, którą chciałby się Pan zająć w przyszłości?
Intensywnie rozwijam teraz zastosowania atomów rydbergowskich, czyli wysoko wzbudzonych. Taki atom zaczyna mieć prawie makroskopowy rozmiar, co pozwala mu oddziaływać z innymi atomami – w celu implementacji bramek kwantowych – albo odbierać sygnały zewnętrzne. Chciałbym skonstruować urządzenie pozwalające użyć takich atomów do odbioru niezwykle słabych sygnałów mikrofalowych, pochodzących np. z radaru albo radioteleskopu. Pozwoliłoby to użyć tej ciekawej fizyki jak nowej technologii zarówno w komunikacji, jak i w innych fundamentalnych badaniach. Kolejnym etapem byłoby użycie atomów, aby wykryć światło w formie obrazu bez niszczenia go, z dokładnością do pojedynczych fotonów, co w perspektywie stanowiłoby początek kompletnie nowej klasy kamer. Ostatnio poświęcam więcej czasu, starając się zdobyć fundusze na te planowane, ambitne i oczywiście też ryzykowne badania. W przyszłości chciałbym, abyśmy w naszym laboratorium rozwijali kwestie zarówno fundamentalne, jak i aplikacyjne.
To wszystko jest niesamowicie ciekawe! Bardzo dziękuję za rozmowę i życzę dalszych sukcesów!
Rozmawiała: Elżbieta Kuligowska