Polak opracował najszybszą pamięć kwantową na Ziemi [TYLKO U NAS]

Dr hab. Michał Parniak, fizyk kwantowy, zdradza w rozmowie z Business Insider Polska kulisy stworzenia najszybszej pamięci kwantowej na Ziemi. Opowiada o przełomowych możliwościach, jakie niesie za sobą ta technologia, oraz o jej roli w przyszłych sieciach światłowodowych. Odkrycie, które ma potencjał zrewolucjonizować bezpieczeństwo komunikacji i kryptografię, to tylko początek fascynującej podróży w świat technologii kwantowych.

Grzegorz Kubera, Business Insider Polska: Stworzył pan najszybszą pamięć kwantową na Ziemi. Co to oznacza w praktyce?

Dr hab. Michał Parniak: Podjęliśmy próbę konstrukcji pamięci, która zasadniczo pozwala zapisywać fotony. Fotony w szczególności niosą informację kwantową, natomiast samych pamięci kwantowych jest wiele rodzajów. Nasza akurat służy do zachowywania pojedynczych fotonów, co jest bardzo istotne dla bezpiecznego przesyłania danych w komunikacji kwantowej.

Komunikacja kwantowa ma natomiast swoje ograniczenia, zwłaszcza w zakresie zasięgu. Pamięci kwantowe odgrywają tu kluczową rolę, ponieważ pozwalają na przechowywanie fotonów w trakcie ich transmisji, co znacznie zwiększa zasięg komunikacji. Naszym osiągnięciem było opracowanie metody, która pozwala na przesyłanie danych w taki sposób, aby nie dochodziło do tego, że informacje są przesyłane tak jakby foton po fotonie. Dzięki naszej technologii możliwe jest jednoczesne wysyłanie wielu fotonów, a to przekłada się na korzystanie z wielu kanałów jednocześnie. Nasza pamięć cechuje się wyjątkowo dużą pojemnością, umożliwiając obsługę aż sześciuset kanałów jednocześnie. W klasycznych sieciach telekomunikacyjnych, takich jak sieci radiowe, korzystanie z wielu kanałów jest standardem, jednak w fotonice i optyce — zwłaszcza na poziomie kwantowym — jest to znacznie trudniejsze do osiągnięcia.

Nasza praca nad pamięcią kwantową była więc bardzo ważna dla jej zastosowania w przyszłych kwantowych sieciach światłowodowych. Obecnie istniejące pamięci kwantowe, choć rozwijane przez różne grupy na świecie, nie są jeszcze wystarczająco wydajne, by mogły zostać wykorzystane w dużych sieciach kwantowych.

Jest to jednak mocno osadzone w przyszłości. Obecnie bowiem nie ma sieci kwantowych i to coś, co dopiero ma nadejść. Czy zatem te prace mają jakiś wpływ na nasze życie?

Historia technologii kwantowych jest następująca: jeszcze zanim powstały pierwsze komputery kwantowe, opracowano algorytm Shora, który pokazał, że można złamać wszelką kryptografię opartą na konkretnych operacjach matematycznych, takich jak faktoryzacja liczb, w czasie znacznie krótszym niż na komputerze klasycznym. Współczesna kryptografia opiera się na takich właśnie operacjach matematycznych. W związku z tym okazało się, że komputery kwantowe, które powoli powstają, mogą w przyszłości pozwolić na złamanie tych szyfrów.

Czyli prace te są potrzebne, aby stworzyć odpowiednio bezpieczne mechanizmy dla sektora cyberbezpieczeństwa — tak, aby nie dało się złamać obecnie stosowanych zabezpieczeń i nawet np. blockchaina takiego jak Bitcoin?

Już wyjaśniam. W Bitcoinie mamy do czynienia z dwoma aspektami. Po pierwsze chodzi o sposób przesyłania kodów między użytkownikami. W tym przypadku komputer kwantowy mógłby rzeczywiście zagrozić obecnym metodom szyfrowania, umożliwiając ich złamanie. Z drugiej strony pojawia się pytanie, czy komputer kwantowy mógłby znacznie przyspieszyć proces „kopania” bitcoinów poprzez szybkie rozwiązywanie funkcji haszujących. Tutaj już nie do końca. Istnieje algorytm kwantowy, który może przyspieszyć ten proces, ale tylko dwukrotnie. Jeśli więc mamy np. hash o długości 1024 bitów, dla komputera kwantowego będzie on odpowiadał trudności 512 bitów, co nadal jest znaczną wartością. Ten algorytm to algorytm Grovera, więc korzyść w tym przypadku jest niewielka.

W międzyczasie fizycy kwantowi opracowali komunikację kwantową, która jest całkowicie zabezpieczona przed atakami komputerów kwantowych. Szyfry generowane w ten sposób są oparte na prawach fizyki, co gwarantuje ich bezpieczeństwo. W uproszczeniu: jeśli przesyłamy informacje za pomocą pojedynczych fotonów, to gdy ktoś próbowałby je podsłuchać, natychmiast byśmy się o tym dowiedzieli, ponieważ foton ten byłby tylko jeden. Istnieje wiele sposobów generowania takich kluczy kryptograficznych. Jeden z ciekawszych, opracowany przez polskiego fizyka pracującego w Oksfordzie, Artura Ekerta, polega na wykorzystaniu splątanych fotonów. Każda ze stron otrzymuje jeden splątany foton i może na tej podstawie wygenerować identyczne, całkowicie sekretne klucze kryptograficzne.

W międzyczasie informatycy opracowali tzw. algorytmy postkwantowe, które wydają się odporne na ataki komputerów kwantowych, choć nie ma na to matematycznych dowodów. To bardzo ciekawa dziedzina, która z pewnością będzie się rozwijać i może kiedyś dowiemy się, jak to wygląda w praktyce.

Czytaj też: Oto jak darmowa aplikacja Duolingo generuje 500 mln dol. rocznie

Czy zatem powinniśmy się obawiać, że kiedy nadejdą już komputery kwantowe, to nagle wszystkie zabezpieczenia oferowane przez firmy z sektora cybersecurity przestaną działać?

Raczej nie, ale nie jest to zupełnie pomijalne zagrożenie. National Institute for Standards and Technology (NIST) w Stanach Zjednoczonych opublikował już pierwsze rekomendacje dotyczące stosowania algorytmów postkwantowych, które według obecnej wiedzy są bezpieczne. Na razie nie istnieją algorytmy kwantowe, które mogłyby je złamać. Jednak moja przeglądarka internetowa też jeszcze ich nie stosuje. To przypomina odwieczny wyścig w kryptografii między opracowywaniem metod szyfrowania a możliwościami ich złamania. Musimy zaakceptować, że ten wyścig będzie trwał, tak jak trwał od zawsze.

Pamięć kwantowa to jednak nie wszystko, czym się pan zajmuje.

Tak, chciałbym opowiedzieć o czymś jeszcze. W 2017 r. osiągnęliśmy znaczący sukces w dziedzinie pamięci kwantowej, który zaowocował nawet uzyskaniem patentu. Ta technologia jest w pewnym sensie komercjalizowana, ale jak wspomniałem wcześniej, większość pamięci kwantowych nie jest jeszcze na tyle zaawansowanych, aby mogły być podłączone do sieci. Wymagają one jeszcze dalszego rozwoju.

W międzyczasie narodziła się inna, niezwykle interesująca dziedzina, zwana metrologią kwantową. Metrologia kwantowa polega na wykorzystaniu efektów kwantowych, takich jak używanie pojedynczych fotonów czy atomów, do pomiaru różnych wielkości fizycznych, np. pól magnetycznych lub elektromagnetycznych, z większą precyzją niż jest to możliwe w tradycyjny sposób. Co więcej, w zeszłym roku — a odkrycie to zostało opublikowane w tym roku w Nature Photonics — udało nam się przekonwertować pojedyncze fotony mikrofalowe, które są używane w komunikacji 5G, 6G, Wi-Fi i podobnych technologiach, na fotony optyczne. W ten sposób skonstruowaliśmy niezwykle precyzyjny detektor, który jest zdolny do wykrywania bardzo, bardzo słabych sygnałów mikrofalowych z niespotykaną dotąd dokładnością.

I to osiągnięcie jest możliwe do wdrożenia w krótszym czasie?

Odkrycie wzbudziło spore zainteresowanie, ponieważ temat jest szeroki i ma duży potencjał. W Stanach Zjednoczonych działa przynajmniej jedna firma, Inflection, którą miałem okazję odwiedzić. Jest to duży start-up, który na zlecenie agencji DARPA, finansującej badania naukowe o potencjalnych zastosowaniach militarnych, zaczyna budować podobne sensory. Częściowo inspirowali się naszymi pracami, choć oczywiście byliśmy trochę później niż Amerykanie.

Temat sensorów opartych na atomach wzbudza również zainteresowanie instytucji takich jak NIST w USA, a także, co ciekawe, w Chinach. W Europie udało nam się znaleźć niszę, co doprowadziło do nawiązania kontaktów z różnymi europejskimi instytucjami w celu dalszego rozwoju tych sensorów. Nasz ma wyjątkowe właściwości, osiągając rekordową precyzję w wykrywaniu pól, choć z pewnymi ograniczeniami. Nie jest od razu gotowy do odbioru sygnałów, ale świetnie sprawdza się w wykrywaniu, czy na danej częstotliwości w ogóle coś jest nadawane. Ponadto pozwala na obserwację temperatury różnych obiektów z dużej odległości, co jest kolejnym interesującym zastosowaniem.

Czyli mówimy tutaj o zastosowaniu np. w systemach antyszpiegowskich.

Dokładnie tak. Jest to jedno z bardzo istotnych zastosowań. Od kiedy zaczęliśmy nad tym pracować, mieliśmy już kilka, a nawet kilkanaście spotkań z Europejską Agencją Kosmiczną, która również wyraziła duże zainteresowanie naszymi badaniami. Rozważają oni możliwość umieszczenia tych sensorów, które rozwijamy, na przyszłych satelitach.

Możliwości są naprawdę szerokie. Jednym z zastosowań jest tzw. spectrum awareness, czyli monitorowanie, na jakich częstotliwościach emitowane są sygnały z powierzchni Ziemi. Sensory atomowe mają tę unikalną właściwość, że mogą obejmować ogromny zakres częstotliwości — od starodawnych fal FM po najnowsze technologie, takie jak 6G i dalej. To wyjątkowa cecha, której tradycyjne anteny nie mają.

Czytaj też: Zablokował jedną z największych wyszukiwarek. „Nie płacą, to nie dostaną dostępu”

W takim razie muszę o coś zapytać – proszę wybaczyć takie pytanie konsumenckie. Jakby ten sensor zabrać ze sobą do domu w Airbnb i użyć do wykrywania, czy ktoś zainstalował ukrytą kamerę, by nas pooglądać, czy udałoby się ją znaleźć? Czy to by się sprawdziło?

Myślę, że tak [śmiech – red.]. Choć przyznam, że pewnie są łatwiejsze sposoby i użycie naszego sensora to byłby taki trochę overkill [z ang. przesada — red.]. Kamery działają zwykle na o wiele silniejszych sygnałach i można je łatwiej wykrywać.

Dziękuję, zaspokoiłem ciekawość. Wróćmy do satelitów.

Naturalnie [śmiech – red.]. Na satelitach sensory te miałyby zastosowanie głównie w geofizyce, geologii oraz fizyce atmosfery. Mogłyby np. analizować odbicia sygnałów od chmur, co pozwoliłoby na lepsze zrozumienie procesów zachodzących w atmosferze. Z drugiej strony sensory te umożliwiałyby skanowanie całego spektrum częstotliwości, co jest niezwykle efektywnym sposobem na sprawdzanie, kto i gdzie nadaje sygnały. W przypadku wykrycia jakiejś transmisji można by użyć tego samego sensora lub tradycyjnej anteny do dokładniejszej analizy nadawanej treści. Jednak samo sprawdzanie tak szerokiego spektrum jest ogromnym wyzwaniem.

Ponadto sensory te mogą być skierowane w przeciwną stronę, co otwiera możliwości w komunikacji z odległymi satelitami, tzw. deep space, gdzie sygnały są bardzo słabe. Tutaj technologie kwantowe mogą okazać się nieocenione. Kolejnym potencjalnym zastosowaniem jest radioastronomia, która zajmuje się obserwacją zjawisk fizycznych w kosmosie.

Możliwości faktycznie są bardzo szerokie.

Tak. Te sensory mają jeszcze inne ciekawe zalety. Na przykład nie wymagają zewnętrznej kalibracji, ponieważ można je dostosować do pewnych fundamentalnych własności fizycznych. Z tego powodu sensorem interesuje się już Instytut Standardów (NIST). Choć w Polsce jeszcze nie rozpoczęliśmy prac w tym kierunku, myślę, że różne narodowe urzędy miar mogą być zainteresowane tym rozwiązaniem jako alternatywną metodą kalibracji wszelkiego rodzaju urządzeń mikrofalowych, radiowych i innych.

Czyli powiedziałby pan, że projekt sensorów jest ważniejszy z punktu widzenia komercjalizacji i możliwości biznesowych niż pamięć kwantowa, od której zaczęliśmy rozmowę?

Ewidentnie w tej chwili tak. Mamy tutaj duże zainteresowanie już teraz.

Są jakieś plany, aby otworzyć własny start-up, który np. będzie sprzedawać lub licencjonować tę technologię, czy jeszcze jest za wcześnie na ten etap?

Można powiedzieć, że jest jeszcze trochę za wcześnie, ale już podejmujemy pierwsze kroki w kierunku komercjalizacji. Nie chcę zdradzać zbyt wiele, ponieważ wszystko jest jeszcze w toku, ale Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) nie jest zwykłą agencją grantową. Oni zlecają badania i następnie składa się im ofertę w ramach przetargu. Obecnie pracujemy właśnie nad taką ofertą.

W tym procesie wspierają nas różne jednostki Uniwersytetu Warszawskiego, odpowiedzialne za komercjalizację. Powoli wchodzimy na ten rynek. Mimo że prace nad tym projektem zaczęły się zaledwie w lutym tego roku, to już zaczynamy podejmować działania komercyjne, co — jak na badania, które wywodzą się z podstawowych założeń fizycznych — jest dość szybkim postępem.

Sprawdź też: Ciasteczka jednak zostają. Google nie chce, byśmy mieli więcej prywatności

Muszę jeszcze zapytać o coś innego. Co zainspirowało pana do zajęcia się fizyką kwantową i do tego, aby obrać właśnie taką ścieżkę kariery? Dlaczego akurat to?

To dobre pytanie. Często studenci, którzy zaczynają pracę nad takimi tematami, jak ja zacząłem na drugim roku studiów, nie do końca zdają sobie sprawę, czym się zajmują. Przyznaję, że ja również nie byłem tego w pełni świadomy. Jednak temat wydawał mi się niezwykle fascynujący i czułem, że zainteresowanie nim będzie z czasem rosło.

Czyli można powiedzieć, że kierowała panem ciekawość?

Tak, tak. To jest naprawdę ciekawe połączenie, że w fizyce kwantowej mamy elementy fizyki, informatyki, a czasem nawet chemii — zwłaszcza w takich zadaniach jak budowanie komputerów kwantowych. Jednak nie wyobrażałem sobie wtedy, że w ciągu kilku lat firmy takie jak Google również zajmą się budowaniem swoich komputerów kwantowych. Ten obszar rozwinął się znacznie bardziej, niż mogłem sobie wyobrazić. Choć od początku spodziewałem się, że ten biznes będzie się rozwijał, ponieważ temat był na tyle fascynujący, że było oczywiste, że zainteresuje także innych.

Jak pan uważa, czy rozwój technologii kwantowych w najbliższych 10 latach znacznie zmieni nasz świat? Teraz mamy rok pod znakiem AI i ChatGPT. Jak to będzie z technologiami kwantowymi?

Mamy już technologie kwantowe, które wkrótce zaczną wchodzić do użytku, i będzie ciekawie zobaczyć, jak nam pomogą. Sensory kwantowe to coś, co jest praktycznie gotowe do zastosowania w technologii, a komunikacja kwantowa również zaczyna się rozwijać. Komputery kwantowe są prawdopodobnie na dalszym etapie, ale mają potencjał, by kompletnie zrewolucjonizować niektóre obszary — chociaż wciąż wymaga to dalszych badań i rozwoju.

Intensywne badania naukowe i praktyczne są prowadzone nad tym, czy komputery kwantowe mogą być wykorzystywane na przykład jako akceleratory sztucznej inteligencji, które wykonują specyficzne zadania. To może być bardzo interesujące. Mamy również symulatory kwantowe, które są czymś pomiędzy komputerami klasycznymi a kwantowymi. Te urządzenia, działające na zasadzie komputerów analogowych, pozwalają nam symulować różne obiekty fizyczne, np. cząsteczki leków, co umożliwia przewidywanie ich właściwości bez konieczności ich tworzenia. Widzę ogromne zastosowania tej technologii.

Technologie kwantowe już teraz wywierają i będą wywierać ogromny wpływ na inne dziedziny nauki, takie jak chemia materiałowa, medycyna czy radioastronomia, które z kolei będą miały wpływ na nasze codzienne życie. To wszystko nadchodzi i już się dzieje. Czy będzie to rewolucja tak gwałtowna, jak ta związana z AI? Myślę, że nie, ponieważ postęp w dziedzinie technologii kwantowych posuwa się wolniej. Zresztą nawet nie wiemy jeszcze, jak zakończy się rewolucja AI i na ile będzie ona praktyczna.

A czy powinniśmy się bać AI? Myśli pan, że te scenariusze rodem z filmu Terminator i powstanie groźnej, ogólnej sztucznej inteligencji, mają szansę się ziścić?

Jako fizyk, który się tym nie zajmuje, wolę chyba nie odpowiadać na to pytanie [śmiech].

Dobrze. Nie wybierając zbyt daleko w przyszłość, na co powinniśmy zwracać dziś większą uwagę, jeśli chodzi o rozwój technologii?

Proszę pozwolić mi się chwilę zastanowić.

Myślę, że jeśli chodzi o technologie kwantowe, szczególnie teraz, gdy skupiamy się na komputerach kwantowych, warto zwrócić uwagę na inne obszary, które mogą być mniej interesujące dla inwestorów, ale są jednymi z najbardziej obiecujących w najbliższej przyszłości — mam tu na myśli wszelkiego rodzaju sensory kwantowe.

Czyli wykrywanie.

Tak, wykrywanie. To bardzo interesujące zagadnienie. Wspominałem wcześniej o sensorach, które pozwalają wykrywać pola elektromagnetyczne i sygnały. Istnieją także sensory zdolne do niezwykle efektywnego wykrywania bardzo słabych, jak i bardzo silnych pól magnetycznych, co również jest fascynujące. Na przykład moi koledzy z Kopenhagi potrafią precyzyjnie kalibrować działanie rezonansu magnetycznego za pomocą atomów. Magnetometria to bardzo ciekawa dziedzina, nieco bardziej rozwinięta w Europie niż inne obszary, o których mówiłem.

Są też sensory, które mogą wykrywać bardzo niewielkie siły, co jest niezwykle przydatne w mikroskopach sił atomowych, które odgrywają ważną rolę w badaniach materiałowych. Jest jeszcze kilka innych obszarów, które są równie obiecujące.

Technologie inspirowane fizyką kwantową, choć nie wymagają tak skomplikowanych efektów, jak te stosowane w komputerach kwantowych, są niezwykle efektywne i działają dzięki zasadom kwantowym. Co ważne, nie borykają się z problemami związanymi z ogromną niestabilnością układów, jak to ma miejsce w przypadku komputerów kwantowych. Dlatego uważam, że sensory kwantowe są jednym z filarów technologii kwantowych, być może mniej docenianym, ale bardzo obiecującym w krótkiej perspektywie.

Rozmawiał Grzegorz Kubera

Dr hab. Michał Parniak jest kierownikiem grupy w Centrum Kwantowych Technologii Optycznych QOT i adiunktem w Zakładzie Optyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki.

Jego zainteresowania badawcze obejmują szereg tematów z zakresu optyki kwantowej, takich jak detekcja pojedynczych fotonów, optyczne kwantowe przetwarzanie informacji i komunikacja, zespoły atomowe, optyka nieliniowa i optomechanika kwantowa. Swoją pracę doktorską napisał na Wydziale Fizyki w roku 2019, po czym przez 2 lata pracował w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze.

W ramach QOT rozwija eksperymentalne implementacje protokołów kwantowych zaprojektowanych przez grupy teoretyczne oraz w ramach jego zespołu. Do jego najważniejszych osiągnięć naukowych należy zademonstrowanie superrozdzielczości w obrazowaniu z wykorzystaniem interferencji dwufotonowej, zademonstrowanie rekordowej pod względem pojemności pamięci kwantowej, zademonstrowanie pierwszego splątania makroskopowych układów spinowych i mechanicznych oraz pierwszą demonstrację konwertera mikrofalowo-optycznego działające w temperaturze pokojowej. Jego celem jest prowadzenie laboratorium, gdzie łączą się fizyka fundamentalna oraz inżynieria i aplikacje.

Dziękujemy, że przeczytałaś/eś nasz artykuł do końca. Bądź na bieżąco! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.

Źródło