WAT przygotował systemy optoelektroniczne dla pierwszego polskiego komputera kwantowego
Optoelektroniczne sterowanie pułapką jonową, czyli przygotowanie i uruchomienie podsystemu niezbędnego do prowadzenia eksperymentów kwantowych to wkład Wojskowej Akademii Technicznej w pierwszy polski komputer kwantowy.
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.

Fot.: WOC
Prace prowadził zespół pod kierownictwem płk. dr. hab. inż. Marka Życzkowskiego, prof. WAT, z Instytutu Optoelektroniki. Naukowcy 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.
Elektronika z Politechniki Warszawskiej i optoelektronika z Wojskowej Akademii Technicznej.
– Nad komputerem kwantowym pracuje wiele zespołów badawczych na świecie. Komputery kwantowe oparte o technologie nadprzewodzące mają swoje ograniczenia – przede wszystkim 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 prof. Marek Życzkowski z IOE WAT.
Współpraca członków konsorcjum obejmowała sterowanie elementami optoelektronicznymi przy wykorzystaniu specjalizowanych podsystemów elektronicznych. 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 – mówi prof. Życzkowski.
Na potrzeby polskiego komputera kwantowego WAT prof. Życzkowski 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
Okazuje się, że 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 docelowo 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 – wyjaśnia prof. Życzkowski.

Fot.: WOC
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. 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 i być przeznaczone do organizacji pracy komputera kwantowego, czyli wykonania takich operacji, żeby jony złapane w pułapkę mogły być w stanach kwantowych. Infrastruktura działa prawidłowo, a ludzie ją rozumieją i wiedzą, co robią.
Dlaczego nie można kupić komputera kwantowego?
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.
– 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 dokonania ewaluacji działania komputera kwantowego, a później także z algorytmami – mówi prof. Życzkowski.
Podkreślił, że będą to najlepsi krajowi eksperci w tej dziedzinie, posiadający unikalną, specyficzną wiedzę, bo mało kto może pracować na tak drogich i skomplikowanych urządzeniach. Wiedzę tę będą mogli dalej przekazywać, a w przypadku kontaktu z infrastrukturą komputera kwantowego nie będzie to wiedza czysto teoretyczna.
– Przystępując do projektu MIKOK nauczyliśmy się konstruowania architektury optoelektronicznej i elektronicznej komputera kwantowego. Szkoląc się i szukając możliwych do zakupu elementów, zebraliśmy informacje. W kolejnych miesiącach łączyliśmy je, zestawialiśmy i uruchamialiśmy. W tej chwili jesteśmy pewni, że ten układ działa stabilnie w kontrolowanych warunkach, co umożliwia prowadzenie operacji kwantowych na kubitach – podsumowuje optoelektronik z WAT.

Fot.: WOC
Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT PW
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. Eksperci uczelni stworzyli konsorcjum, którego celem była budowa polskiego komputera kwantowego dla wojska, ale także na potrzeby cywilne. Po uzyskaniu dofinansowania w konkursie z NCBR, zaczęto tworzyć polskie kompetencje w tym zakresie. W zespole nadzorującym projekt są Wojska Obrony Cyberprzestrzeni i jako gestor zdobywają na jego podstawie wiedzę niezbędną do określenia przyszłych zastosowań.
Autorka oryginału: Karolina Duszczyk