Infrastruktura sprzętowa umożliwiająca kwantowe przetwarzanie informacji będzie działała na bazie uwięzionych w pułapce próżniowej jonów wapnia. Testy WAT dotyczące zintegrowanego systemu optoelektronicznego przeznaczonego dla pułapki jonowej zakończyły się pomyślnie. Optoelektronicy wytworzyli stabilny rejestr kwantowy.

Prace prowadził zespół pod kierownictwem płk. dr. hab. inż. Marka Życzkowskiego, prof. WAT, z Instytutu Optoelektroniki. Naukowcy z WAT pracowali w laboratoriach CEZAMAT Politechniki Warszawskiej. Tam konsorcjum badawcze pod kierunkiem Politechniki Warszawskiej, złożone z ekspertów Wojskowej Akademii Technicznej, Wojskowego Instytutu Techniki Uzbrojenia, Politechniki Śląskiej i firmy Sonovero R&D, opracowało procedury uruchomieniowe, kontrolne i kalibracyjne poszczególnych podsystemów komputera kwantowego.

„Nad własnym komputerem kwantowym pracuje wiele zespołów badawczych na świecie. W badaniach tych wykorzystywane są różne technologie. Komputery kwantowe oparte o technologie nadprzewodzące mają swoje ograniczenia – przede wszystkim mają bardzo krótki czas życia stanów kwantowych. Dlatego część świata naukowego próbuje znaleźć rozwiązanie tego problemu stosując pułapki jonowe. Jest to układ o wysokiej próżni, w którym znajduje się pułapka magnetyczna. W pewnym obszarze próżni wyłapuje ona jony i ustawia w charakterystycznym, liniowym, rozłożeniu. Decydującą rolę w przygotowaniu i dalszym operowaniu jonami odgrywa optoelektronika” – tłumaczy PAP prof. Marek Życzkowski z IOE WAT, uzasadniając, dlaczego w konsorcjum, które powstało, aby budować polskie kompetencje kwantowe, potrzebni byli specjaliści obeznani w optyce, oddziaływaniu światła, laserach i nowych technologiach – optoelektronicy.

Współpraca członków konsorcjum obejmowała sterowanie elementami optoelektronicznymi przy wykorzystaniu specjalizowanych podsystemów elektronicznych. W pionierskim projekcie wszyscy się uczyli. Naukowcy zyskali wiedzę i doświadczenie, pozwalające na opracowanie koncepcji i budowę systemu optoelektronicznego. Dzięki testom w laboratoriach CEZAMAT znaleziono optymalne parametry pracy komponentów komputera.

„Proces sterowania jonami, które mają właściwości kwantowe, czyli pozwalają wykonać obliczenia kwantowe, musi być obsłużony przez grupę laserów: wysoko wyspecjalizowanych, wysoko precyzyjnych i bardzo mocno zsynchronizowanych” – precyzuje prof. Życzkowski.

ZDOLNOŚCI, KTÓRYCH NIE MOŻNA KUPIĆ

Jak wyjaśnia, technologia pułapek jonowych znana jest na świecie od co najmniej dwudziestu lat. Powstało na ten temat wiele doktoratów i habilitacji, zbudowano również kilka działających układów. Jednakże ta wiedza jest bardzo specjalistyczna, osadzona w wąskim zakresie fizyki, przez co dostęp do niej jest ograniczony. Dodatkowo wymaga poważnych nakładów finansowych, co dodatkowo przekłada się na jej nieczęste praktykowanie.

„Zdolności do organizacji komputerów kwantowych na pułapkach jonowych są niesprzedawalne. Można sobie kupić kompletne fragmenty rozwiązań, ale do pewnych etapów wiedzy i umiejętności, do których eksperci zagraniczni dochodzili przez ostatnie 20 lat, nie uzyska się dostępu. Tylko własną praktyką można wypracować to, że infrastruktura komputera kwantowego końcowo zadziała. Dlatego w Polsce budujemy od podstaw wszystko – od zestawienia elektroniki, za co odpowiada Politechnika Warszawska, doświadczona w ewaluacji takich układów na potrzeby laboratoriów światowych, po kwestie optoelektroniczne, za które odpowiada Wojskowa Akademia Techniczna” – mówi optoelektronik.

Na potrzeby polskiego komputera kwantowego WAT przygotował 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.

SYSTEMY DZIAŁAJĄ, UKŁAD KWANTOWY JEST STABILNY

Systemy testowane w laboratoriach CEZAMAT 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 prof. Życzkowski.

Kolejne etapy projektu będą związane z zastosowaniami dla wojska i dla samej nauki, ponieważ dadzą duże możliwości prowadzenia prac badawczo-rozwojowych w zakresie informatyki kwantowej. W obecnym kształcie komputer kwantowy ma mniejsze rozmiary niż kojarzone z potężną „szafą” superkomputery. Od znanego nam komputera różni się przede wszystkim "procesorem" – pułapką próżniową, do której światłowodami doprowadzane jest promieniowanie z co najmniej 7 laserów. Takie promieniowanie musi cechować się ściśle określonymi parametrami, musi być przeznaczone do organizacji pracy komputera kwantowego.

„Przez organizację komputera kwantowego należy rozumieć wykonanie takich operacji, żeby jony złapane w pułapkę mogły być w stanach kwantowych. Musimy być tego pewni, żeby zacząć operacje logiczne na owych stanach kwantowych. Dziś już możemy powiedzieć, że infrastruktura działa prawidłowo, a ludzie, którzy na tej infrastrukturze pracują, wiedzą, co robią, bo w pełni ją rozumieją” – mówi optoelektronik.

UNIKATOWA WIEDZA WARUNKIEM NIEZALEŻNOŚCI

Systemów komputera kwantowego nie można „po prostu kupić”. Jak wyjaśnia profesor WAT, pełna znajomość całej infrastruktury jest niezbędna, żeby rozwijać algorytmy kwantowe dla wojska lub dla potrzeb cywilnych, na przykład do zaawansowanych symulacji. Oprogramowania też nie można sobie kupić, ponieważ do każdego komputera kwantowego potrzebne są inne, ściśle z nim związane i jemu przeznaczone algorytmy. Tylko pełna wiedza o tym, co się dzieje w komputerze kwantowym, pozwoli polskim ekspertom napisać odpowiedni algorytm, dzięki którym komputer kwantowy znajdzie swoje zastosowania.

Gdybyśmy bowiem wyobrazili sobie, że budujemy kompletny komputer kwantowy na bazie pułapki jonowej kupiony za granicą, to owszem, można podjąć próby operacji na stanach kwantowych i wykonania obliczeń. Jednak w momencie, gdyby komputer wyszedł ze stanu kwantowego, czyli rozsynchronizował się chociażby układ optoelektroniczny, należałoby „wezwać serwis”.

„Kształcąc ludzi w projekcie otrzymujemy zespół doskonale znający się na mechanizmach zastosowanych w naszym komputerze, mamy gwarancję, że utrzymujemy stabilny układ kwantowy, a otrzymywane wyniki są wiarygodne. Mamy zatem możliwość, w perspektywie, by dokonać ewaluacji działania komputera kwantowego, także już później, z algorytmami” – mówi prof. Życzkowski.

Podkreśla, że będą to najlepsi krajowi eksperci w tej dziedzinie, posiadający wyjątkową, specyficzną wiedzę, bo mało kto ma możliwość pracy na tak drogich i tak skomplikowanych urządzeniach. Wiedzę tę będą mogli dalej przekazywać, a w przypadku kontaktu z infrastrukturą komputera kwantowego nie będzie to wiedza czysto teoretyczna.

Wkład WAT to zatem nie tylko lasery, ale przede wszystkim zasób wiedzy ludzkiej i możliwości uczenia się. „Przystępując do projektu MIKOK nauczyliśmy się konstruowania architektury optoelektronicznej i elektronicznej komputera kwantowego. Szkoląc się, szukając możliwych do zakupu elementów – zebraliśmy informacje. Kolejne miesiące poświęcono, żeby te elementy połączyć, zestawić i uruchomić. W tej chwili jesteśmy pewni, że ten układ działa stabilnie w kontrolowanych warunkach, co umożliwia prowadzenie operacji kwantowych na kubitach” – podsumowuje naukowiec.

Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT jest częścią Politechniki Warszawskiej, środowiskiem laboratoriów wyspecjalizowanych do prowadzenia zaawansowanych badań. W ramach Projektu Cezamat funkcjonuje konsorcjum, w skład którego wchodzi m.in. Wojskowa Akademia Techniczna. Politechnika Warszawska ma kilkunastoletnie doświadczenie w opracowaniu układów elektronicznych na potrzeby budowy elementów sterujących do komputerów kwantowych wykorzystywanych przez ośrodki naukowe z całego świata. Stąd to właśnie eksperci tej uczelni zainicjowali konsorcjum, którego celem była budowa polskiego komputera kwantowego dla wojska, ale także na potrzeby cywilne. Po uzyskaniu w konkursie dofinansowania z NCBR został zainicjowany proces budowy polskich kompetencji w tym zakresie. W zespole nadzorującym projekt są Wojska Obrony Cyberprzestrzeni i jako gestor zdobywają na jego podstawie wiedzę niezbędną do określenia przyszłych zastosowań.(PAP)

Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ bar/ mhr/