Część ścieżki optycznej niebieskiego lasera. Zdjęcie: DKWOC
Pierwotny prototyp infrastruktury do obliczeń kwantowych jest rozwijany na Politechnice Warszawskiej, wykorzystującej jony wapnia. Oczekuje się, że inicjatywa ta pozwoli Polsce nadążać za postępem w technologiach kwantowych, według dr. inż. Zbigniewa Wawrzyniaka, przedstawiciela projektu MIKOK z Politechniki Warszawskiej.
W ramach projektu MIKOK, dofinansowanego przez NCBR kwotą 56 mln zł, w Warszawie powstaje „modułowa infrastruktura obliczeniowa kwantowa do specjalistycznych i wojskowych zastosowań informatycznych”. Konsorcjum jest prowadzone przez Politechnikę Warszawską, a w jego skład wchodzą Wojskowa Akademia Techniczna, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Politechnika Śląska oraz Sonovero R&D sp. z oo
Celem projektu jest wyprodukowanie prototypu, w przeciwieństwie do wersji gotowej do produkcji, infrastruktury komputera kwantowego, która opiera się na uwięzionych jonach wapnia Ca(40)+. Przewiduje się, że infrastruktura będzie operacyjna do końca tego roku. Obecnie naukowcy pracują zarówno nad sprzętem, jak i oprogramowaniem niezbędnym do wykonywania operacji kwantowych. Większość krytycznych komponentów, takich jak elektronika sterująca i oprogramowanie do ulepszania obliczeń kwantowych, jest produkowana w Polsce.
Jak sami twierdzą specjaliści w Warszawie, istotnym celem stworzenia od podstaw infrastruktury komputerów kwantowych jest uzyskanie wszechstronnego zrozumienia zawiłości takich systemów, rozwinięcie unikalnych umiejętności praktycznych i stworzenie podwalin pod suwerenność technologiczną państwa w tym strategicznie ważnym dla Polski obszarze.
„Naszym celem jest podążanie za globalnymi wydarzeniami, dlatego podejmujemy ten pierwszy, kluczowy krok” – zaznaczył w komentarzu dla PAP dr Zbigniew Wawrzyniak z Politechniki Warszawskiej.
JAK WYGLĄDA PROTOTYP?
Pierwsza polska infrastruktura komputera kwantowego znajduje się w jednym pomieszczeniu w CEZAMAT PW. Urządzenie składa się z: pułapki jonowej, precyzyjnych laserów do chłodzenia i zmiany stanów kwantowych wychwyconych jonów, układów elektronicznych do sterowania laserami i pułapką oraz komputerowego systemu zarządzania wyposażonego w oprogramowanie użytkownika.
W centrum systemu znajduje się pułapka jonowa otoczona przewodami. Wokół niej rozmieszczono liczne urządzenia, które mają na celu indukowanie jonów do „działania” i odczytywania wyników. Urządzenia te obejmują systemy laserowe, światłowody, komponenty pomiarowe i różne systemy optoelektroniczne, takie jak modulatory akustyczno-optyczne lub elektrooptyczne. Wszystkie elementy muszą działać jednocześnie i precyzyjnie, aby wykonywać operacje na poszczególnych atomach.
„Musimy wychwycić jony, schłodzić je, odpowiednio ustawić w polu elektrycznym i wywołać ich aktywność, pobudzając je laserami” – wyjaśnił dr Wawrzyniak. Następnie musimy również zapisać i zinterpretować uzyskane stany kwantowe jako wyniki obliczeń.
Ta infrastruktura sprzętowa będzie stanowić niezawodną podstawę do wykonywania algorytmów kwantowych.
„Istnieją różne metody produkcji kubitów. Zaletą jonów wapnia, które wybraliśmy do naszego projektu, jest to, że są +doskonałe+, ponieważ poziomy energii tego izotopu są dobrze zdefiniowane dla samego pierwiastka, co pozwala na skuteczną kontrolę nad ich stanami kwantowymi” – stwierdził dr Wawrzyniak.
TWARZ KOMPUTERÓW KWANTOWYCH
Jak komputery kwantowe będą działać z polskim sprzętem? Najbardziej wymagające zadanie wykonują lasery o precyzyjnie dostrojonych długościach fal. Początkowo impuls światła laserowego jest używany do uwalniania atomów wapnia z peletu zawierającego wapń. Następnie te uwolnione atomy są jonizowane i, poprzez chłodzenie laserowe, zamykane we wspólnej pułapce, osiągając temperatury bliskie zera absolutnego.
Poprzez interakcję z polami elektromagnetycznymi jony wewnątrz pułapki tworzą jednowymiarowy kryształ – podobny do koralików na naszyjniku. Aby zapisać informacje w tych jonach, struktury są pobudzane laserami. Gdy dodana zostanie energia, jony mogą przejść ze stanu podstawowego do stanu znanego jako stan wzbudzony.
Qubity, czyli jednostki informacji kwantowej, są zatem przechowywane w stabilnych stanach kwantowych każdego jonu. Jeśli wzbudzony jon zostanie oświetlony odpowiednim światłem laserowym, wyemituje foton lub „zaświeci się” (podczas gdy niewzbudzony jon pozostanie ciemny). Wskazuje to, czy wzbudzenie nastąpiło w wyniku wcześniejszych operacji.
CO MOGĄ ZROBIĆ NASZE ŁOKIETKI
W przeciwieństwie do stanu klasycznego bitu komputerowego, który może być zerem lub jednym, kubity przedstawiają bardziej złożony scenariusz. Stan kubitu może być nie tylko 1 lub 0, ale także występować w kombinacji (superpozycji) tych stanów. Dlatego cała „sfera” prawdopodobieństw między stanami 0 i 1 jest dopuszczalna. Jednak ze względu na prawdopodobny charakter stanów kubitu konieczne jest przeprowadzenie tych samych obliczeń wiele razy, aby uzyskać statystycznie istotny wynik.
Ponadto poszczególne jony mogą być splątane kwantowo ze sobą za pomocą laserów, dzięki czemu mogą wspólnie „przetwarzać” określone polecenia. Opanowanie korzystania z takich nieintuicyjnych właściwości kwantowych otwiera zupełnie nowe możliwości obliczeń.
Polski prototyp infrastruktury komputera kwantowego ma na celu docelowo utworzenie 20 kubitów. Podobnie komputer kwantowy pozyskany w
Źródło
