Badacz FUW bierze udział w budowie infrastruktury polskiego komputera kwantowego

Konsorcjum kierowane przez Politechnikę Warszawską intensywnie pracuje nad stworzeniem prototypu infrastruktury komputera kwantowego w ramach projektu MIKOK, finansowanego przez NCBR. Projekt ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa państwa i suwerenności technologicznej Polski. Prace nad systemem, w których istotną rolę odgrywa dr Mariusz Semczuk z Wydziału Fizyki UW, już przyniosły pierwsze sukcesy.

Konsorcjum kierowane przez Politechnikę Warszawską konstruuje prototyp infrastruktury komputera kwantowego. W finansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju projekcie MIKOK (Modularna Infrastruktura Komputera Kwantowego) kluczową rolę odgrywają także pozostali członkowie konsorcjum, tj. Wojskowa Akademia Techniczna, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Politechnika Śląska oraz firma SONOVERO R&D sp. z o.o., tym samym tworząc zespół o niezwykle szerokich i uzupełniających się kompetencjach.

Projekt od samego początku ma dobrze zdefiniowanego głównego odbiorcę: specjaliści od kryptografii z DKWOC, Wojsk Obrony Cyberprzestrzeni. O ile przysłowiowy Kowalski może się nie przejmować tym, że wizja przewagi komputerów kwantowych nad superkomputerami klasycznymi jest odległa, a być może nawet jedynie hipotetyczna, to z punktu widzenia bezpieczeństwa Państwa ta kwestia jest mniej oczywista. Konstrukcja infrastruktury komputera kwantowego ma więc się również przyczynić do rozwoju krajowych kadr, zarówno cywilnych jak i wojskowych, które będą znały tę technologię od podszewki, zwiększając tym samym suwerenność technologiczną i bezpieczeństwo Polski.

W pracach nad rozwojem infrastruktury komputera kwantowego istotną rolę odgrywa pracownik Zakładu Optyki Wydziału Fizyki UW, dr Mariusz Semczuk. Na co dzień kieruje on Laboratorium Ultrazimnych Gazów Kwantowych, w którym rozwija metody eksperymentalne umożliwiające wytwarzanie ultrazimnych cząsteczek polarnych KCs, CsAg i KAg. Jednocześnie już ponad 15 lat temu, pracując w zespole laureata nagrody Nobla Theodora Hänscha, dr Semczuk od podstaw skonstruował pułapkę jonową, przeznaczoną do precyzyjnej spektroskopii laserowej jonów litu współchłodzonych jonami magnezu.

Członkom konsorcjum udało się już stworzyć podwaliny komputera, otrzymując m.in. łańcuchy schłodzonych laserowo jonów uwięzionych w pułapce Paula, co jest podstawą utworzenia rejestru kwantowego. Operacje koherentne na kubitach, w tym wytwarzanie splątania między jonami, możliwe są dzięki laserowi o ultrawąskiej linii spektralnej nieprzekraczającej 1 Hz dla częstotliwości światła rzędu 411 THz. Od strony sprzętowej i oprogramowania infrastruktura stanowi state-of-the art. Większość podzespołów niebędących elektroniką lub oprogramowaniem została zakupiona, jednak to członkowie konsorcjum dokonali integracji komponentów w działającą całość.

– Od czasu doktoratu moja kariera zawodowa obraca się wokół atomów neutralnych. Udział w konstrukcji komputera kwantowego wykorzystującego chłodzone laserowo jony jest dla mnie w pewnym sensie powrotem do korzeni – mówi dr Semczuk. – Zarówno praca z jonami jak i z atomami neutralnymi wymaga praktycznie tych samych podstaw teoretycznych i wykorzystuje te same narzędzia eksperymentalne. W związku z tym studenci, którzy pracują w moim zespole na wydziale Fizyki UW są doskonale przygotowani do pracy z najbardziej zaawansowanymi technologiami opartymi na chłodzonych laserowo jonach, atomach neutralnych czy cząsteczkach. Mój były doktorant Koray Dinçer, po obronie doktoratu rozpoczął pracę w Niemczech w firmie budującej komputer kwantowy wykorzystujący właśnie chłodzone laserowo jony – dodaje badacz.

Konstrukcja infrastruktury komputera kwantowego to wyjątkowo skomplikowane zadanie, wymagające rzadkich kompetencji. Jak zauważa dr Semczuk, w Polsce tylko nieliczni specjaliści posiadają niezbędne doświadczenie w fizyce doświadczalnej opartej na chłodzeniu laserowym, podczas gdy na Zachodzie niemal każdy liczący się uniwersytet ma zespoły badawcze zajmujące się tą tematyką.

W samym projekcie kluczowe jest słowo „infrastruktura”. Nie jest to tylko pułapka jonowa, ani szybka elektronika kontrolno-sterująca czy oprogramowanie a pełen „stos kwantowy” – od jednostki komputera kwantowego po kompilator i możliwość zdalnego dostępu dla przyszłych użytkowników. Ta ostatnia funkcjonalność jest szczególnie istotna - w nieodległej przyszłości środowisko naukowe w Polsce będzie miało możliwość wykorzystać powstałą infrastrukturę do prowadzenia badań, w tym podstawowych, zarówno w zakresie obliczeń kwantowych jak i symulacji kwantowych. Jest to nie do przecenienia, gdyż idea całej infrastruktury zakłada, że można ją stosunkowo łatwo modyfikować, więc jeśli ktoś będzie miał pomysł np. na symulację interesujących zjawisk występujących w układach spinowych, konsorcjum będzie w stanie wprowadzić wymagane modyfikacje w infrastrukturze, aby taki eksperyment się powiódł. Co więcej, ten hipotetyczny użytkownik nie musiałby nawet mieć doświadczenia w pracy z takimi układami. Komercyjne rozwiązania na taką elastyczność nie pozwalają.

Prof. dr hab. inż. Jan Szmidt, były Rektor Politechniki Warszawskiej, a obecnie kierownik projektu, podkreśla: „Powstająca infrastruktura stworzy podwaliny pod dalsze prace nie tylko z obszaru obliczeń kwantowych, ale również w zakresie szerzej pojętych technologii kwantowych. Możliwość wykorzystania istniejących już komponentów pozwala na rozbudowanie układu np. o kolejne pułapki jonowe, w których jony wapnia można wykorzystać do współchłodzenia innych, egzotycznych jonów. Czy byłyby to symulacje kwantowe, konstrukcja ultraprecyzyjnych zegarów atomowych czy precyzyjna spektroskopia laserowa, modularność infrastruktury pozwoli zrealizować takie projekty za ułamek kwoty, która normalnie trzeba by wydać na stworzenie nowego eksperymentu od zera. Co istotniejsze, ekspertyza pracowników Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych może w przyszłości być kluczowa, aby w ogóle pewne eksperymenty zrealizować. W naszym projekcie fizyk doświadczalny zajmuje się fizyką a nie budową elektroniki czy pisaniem zaawansowanego oprogramowania, bo tym się zajmują ludzie, którzy na tych zagadnieniach ‘zjedli zęby’. Tak samo elektronik nie musi być ekspertem od fizyki kwantowej, aby stworzyć fantastyczny układ elektroniczny, który jest niezbędny, aby badać kwantową naturę materii. Uwalnia to więc potencjał poszczególnych członków zespołu, aby robili to, w czym są najlepsi.”

Prace konsorcjum mogą znacząco wpłynąć na rozwój badań podstawowych i technologii kwantowych w Polsce, a dzięki zaangażowaniu studentów i doktorantów projekt otwiera nowe możliwości edukacyjne.

Dodatkowe informacje:
https://www.rp.pl/wojsko/art41690071-jak-komputer-kwantowy-pomoze-wojsku
https://pw.edu.pl/aktualnosci/badacze-z-wydzialu-elektroniki-i-technik-informacyjnych-pw-w-wyscigu-technologii
https://forumakademickie.pl/badania/powstaje-pierwsza-w-polsce-infrastruktura-dla-komputera-kwantowego/.