Fragment ścieżki optycznej niebieskiego lasera. Fot. DKWOC
Pierwszy prototyp krajowej infrastruktury obliczeniowej kwantowej jest rozwijany na Politechnice Warszawskiej, wykorzystującej jony wapnia. Oczekuje się, że inicjatywa ta pozwoli Polsce nadążać za postępem technologii kwantowej, jak stwierdził dr inż. Zbigniew Wawrzyniak, przedstawiciel projektu MIKOK z Politechniki Warszawskiej.
W ramach projektu MIKOK, współfinansowanego przez NCBR (budżet 56 mln zł), w Warszawie powstaje „modułowa kwantowa infrastruktura komputerowa do specjalistycznych i wojskowych zastosowań informatycznych”. Konsorcjum, którego liderem jest Politechnika Warszawska, obejmuje Wojskową Akademię Techniczną, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Politechnikę Śląską oraz Sonovero R&D sp. z o.o.
Celem projektu jest wyprodukowanie prototypu, a więc jeszcze nie wersji gotowej do produkcji, kwantowej infrastruktury komputerowej opartej na uwięzionych jonach wapnia Ca(40)+. Infrastruktura ta ma być gotowa do działania do końca tego roku. Naukowcy pracują obecnie zarówno nad sprzętem, jak i oprogramowaniem niezbędnym do wykonywania operacji kwantowych. Znaczna część niezbędnych podzespołów, w tym elektronika sterująca i oprogramowanie wspomagające obliczenia kwantowe, jest produkowana w Polsce.
Kluczowym celem budowy infrastruktury komputera kwantowego od podstaw przez ekspertów w Warszawie jest, jak sami opisują, uzyskanie głębokiego zrozumienia mechanizmów rządzących takimi systemami, nabycie unikalnych umiejętności praktycznych i położenie podwalin pod narodową suwerenność technologiczną w tej strategicznie ważnej dla Polski dziedzinie.
„Naszym celem jest podążanie za globalnymi wydarzeniami, dlatego podejmujemy ten kluczowy pierwszy krok” – skomentował PAP dr inż. Zbigniew Wawrzyniak z Politechniki Warszawskiej.
JAK WYGLĄDA PROTOTYP
Pierwsza polska infrastruktura komputera kwantowego mieści się w jednym pomieszczeniu w CEZAMAT PW. System składa się z pułapki jonowej, precyzyjnych laserów do chłodzenia i zmiany stanów kwantowych uwięzionych jonów, układów elektronicznych sterujących laserami i pułapką, a także komputerowego systemu zarządzania wyposażonego w oprogramowanie użytkownika.
Sercem systemu jest pułapka jonowa otoczona przewodami. Wokół niej rozmieszczono liczne urządzenia, które umożliwiają jonom „działanie” i odczytywanie wyników. Urządzenia te obejmują systemy laserowe, światłowody, komponenty pomiarowe i różne systemy optoelektroniczne, takie jak modulatory akustooptyczne lub elektrooptyczne. Wszystkie te elementy muszą działać jednocześnie i z wystarczającą precyzją, aby wykonywać operacje na pojedynczych atomach.
„Musimy uwięzić jony, schłodzić je, ustawić je prawidłowo za pomocą pola elektrycznego i stymulować laserami, aby działały” — wyjaśnił dr Wawrzyniak. Ponadto musimy rejestrować i interpretować stany kwantowe uzyskane jako wyniki obliczeń.
Ta infrastruktura sprzętowa ma zapewnić niezawodną podstawę do wykonywania algorytmów kwantowych.
„Istnieją różne metody generowania kubitów. Korzyścią z wykorzystania jonów wapnia, tak jak wybrano je w naszym projekcie, jest to, że są one +doskonałe+, ponieważ poziomy energetyczne tego izotopu są dobrze zdefiniowane, a ich stany kwantowe można precyzyjnie kontrolować” – ocenił dr Wawrzyniak.
FAKTUROWANIE OBLICZEŃ KWANTOWYCH
Jak będą funkcjonowały obliczenia kwantowe w polskim sprzęcie? Najtrudniejsze zadania są realizowane przez lasery o starannie dobranych długościach fal. Początkowo impuls światła laserowego abluje atomy wapnia z granulatu wapnia. Te uwolnione atomy są następnie jonizowane i poprzez chłodzenie laserowe uwięzione we wspólnej pułapce, osiągając temperatury bliskie zera absolutnego.
W wyniku oddziaływań z polami elektromagnetycznymi jony wewnątrz pułapki tworzą jednowymiarowy kryształ, podobny do koralików na sznurku. Aby zakodować informacje w tych jonach, struktury te są wzbudzane za pomocą laserów. Po dodaniu energii jony mogą przejść ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego.
Kubity, czyli jednostki informacji kwantowej, są zatem przechowywane w stabilnych stanach kwantowych każdego jonu. Jeśli wzbudzony jon zostanie oświetlony odpowiednim światłem laserowym, emituje foton i w ten sposób „zapala się” (podczas gdy niewzbudzony jon pozostaje ciemny). Wskazuje to, czy wzbudzenie nastąpiło w wyniku wcześniejszych operacji, czy nie.
CO MOGĄ ZROBIĆ NASZE KUBITY
W przeciwieństwie do klasycznego bitu komputerowego, który może być zerem lub jednym, kubity stanowią bardziej złożoną sytuację. Stan kubita może reprezentować nie tylko 1 lub 0, ale może istnieć w kombinacji (superpozycji) tych stanów. Stąd możliwa jest cała „sfera” prawdopodobieństw między stanami 0 i 1. Jednakże ze względu na probabilistyczną naturę stanów kubitów, konieczne jest przeprowadzenie tego samego obliczenia wiele razy, aby uzyskać statystycznie istotny wynik.
Co więcej, poszczególne jony mogą splątać się kwantowo ze sobą za pomocą laserów, umożliwiając im zbiorowe „przetwarzanie” przypisanych poleceń. Opanowanie tych nieintuicyjnych właściwości kwantowych otwiera zupełnie nowe ścieżki obliczeń.
Oczekuje się, że polski prototyp infrastruktury komputera kwantowego
Źródło
