Politechnika Warszawska projektuje zaawansowane systemy elektroniczne dla eksperymentów kwantowych
DKWOC/Politechnika WarszawskaTechnologie kwantowe to jeden z kluczowych obszarów badań we współczesnej nauce i przemyśle high-tech. Badacze z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej od ponad dekady odgrywają w tym wyścigu wiodącą rolę. Projektują i rozwijają zaawansowane technologicznie ultraprecyzyjne czasowo i sygnałowo systemy elektroniczne dla bardzo wielu międzynarodowych eksperymentów kwantowych. Tym samym współtworzą przełomowe projekty, które mogą zrewolucjonizować nie tylko fizykę eksperymentalną, ale również informatykę, kryptografię czy nowoczesny biznes. Przykładem tego typu prac prowadzonych przez badaczy PW są m.in.: realizacja w CEZAMAT-PW prototypu infrastruktury komputera kwantowego w ramach projektu MIKOK finansowanego ze środków NCBR.
Technologie kwantowe są jednym ze strategicznych kierunków rozwoju Politechniki Warszawskiej, a naukowcy od wielu lat zaangażowani są w prace badawczo-rozwojowe przy prestiżowych projektach wdrożeniowych w tej dziedzinie, również międzynarodowych. Eksperci (wśród nich również byli studenci uczelni) kierowani przez dra inż. Grzegorza Kasprowicza z Zespołu prof. Krzysztofa Poźniaka (WEiTI-ISE) są zaangażowani w prace z zakresu inżynierii układów elektronicznych i sterujących z synchronizacją czasu sub-ns SINARA, zgodną z otwartymi środowiskami sprzętowymi i oprogramowania z systemem operacyjnym ARTIQ dedykowanym do eksperymentów kwantowych.
PW i CERN opracowały także nową architekturę systemu sterowania czasu rzeczywistego nazwie DI/OT, opartą na standardzie przemysłowym Compact PCI Serial i modułowym sprzęcie SINARA. Wypracowane przez naukowców kontrolowanego programowo techniki precyzyjnego sterowania dają nowe możliwości w zakresie kontrolowania stanów kwantowych jonów, krytycznego aspektu wykorzystania splątanych stanów kwantowych i superpozycji jonów w obliczeń kwantowych w tzw. „procesorze kwantowym”. Zespół opracował już ponad 100 typów specjalizowanych modułów sterowania, które są stosowane obecnie w kilkudziesięciu największych laboratoriach kwantowych na świecie, w tym w: National Institute of Standards NINST, Univ. of Maryland, Univ. of Oregon, Duke Univ. ze Stanów Zjednoczonych, Univ. of Oxford i Oxford Ionics z Wielkiej Brytanii, Univ. of Innsbruck i Alpine Quantum Technologies – AQT z Austrii, w CERNie i innych prestiżowych ośrodkach.
Prototypowy Komputer Kwantowy na horyzoncie
Dzięki wspomnianemu wieloletniemu doświadczeniu technologicznemu oraz współpracom międzynarodowym, Politechnika Warszawska – pełniąc rolę lidera konsorcjum – uruchomiła przełomowy projekt pk. MIKOK, w celu opracowania i budowy od podstaw pierwszej w Polsce infrastruktury dla komputera kwantowego. Prace zespołu PW zaangażowanego w projekt pozwalają nie tylko wykorzystać wytworzony dotychczas potencjał i wdrożyć własne rozwiązania elektroniczne, ale także w praktyce doprowadzić do pełnego sterowania procesami kwantowymi uzyskanymi na bazie schłodzonych laserowo jonów wapnia.
Dlatego poza ekspertami z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych PW zespół współpracuje z wybitnymi ekspertami specjalizującymi się w pułapkowaniu jonów, m.in. z doktorem Mariuszem Semczukiem z Uniwersytetu Warszawskiego. Komputery kwantowe są pożądanym rozwiązaniem technologicznym w takich branżach, jak kryptografia, farmaceutyka czy optymalizacja procesów biznesowych. Ich potencjalne zastosowania obejmują m.in. przewidywanie struktury nowych cząsteczek chemicznych, optymalizację skomplikowanych procesów biznesowych czy szyfrowanie danych, a z uwagi na ich wysoką wydajność, znacznie przewyższają dostępne obecnie klasyczne superkomputery.
W skład konsorcjum badawczo-rozwojowego, poza PW pełniącą rolę lidera, wchodzą także Wojskowa Akademia Techniczna, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Politechnika Śląska oraz przedsiębiorca - firma SONOVERO R&D. Wspólnym wysiłkiem tworzona jest zintegrowana infrastruktura komputera kwantowego złożona z ultraprecyzyjnych laserów, układów optoelektronicznych, systemów elektronicznych, systemów komputerowych wraz ze specjalizowanym oprogramowaniem.
W zadaniach konsorcjantów również uczestniczą pracownicy PW, m.in. dr inż. Piotr Sobotka z WF oraz nasi studenci i absolwenci z WEiTI. Prace weszły już w zaawansowaną fazę uruchomieniową, a kolejnym kamieniem milowym było zademonstrowanie w tej pierwszych infrastrukturze laboratoryjnej w tej części Europy łańcuchów schłodzonych laserowo jonów poddających się sterowaniu i manipulacjom, które są kluczowym elementem w budowie bramek kwantowych umożliwiającym tworzenie algorytmów kwantowych.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– Jesteśmy dumni, że nasi naukowcy należą do globalnego grona pionierów w opracowywaniu przełomowych technologii, w tym technologii kwantowych. To dowód na to, że na Politechnice Warszawskiej pracują światowej klasy badacze i inżynierowie, których otwartość umysłu i rozległa wiedza stanowią nieoceniony wkład w rozwój nauki i technologii w aspektach praktycznych. Cieszy mnie również, że prace w ramach projektu MIKOK, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, prowadzone są w nowoczesnej infrastrukturze naszej Uczelni, w Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT, co umożliwia realizację ambitnych projektów na najwyższym poziomie – mówi prof. dr hab. inż. Mariusz Malinowski, Prorektor ds. Nauki PW.
Kilka słów o spułapkowanych jonach
Choć nazwa sugerować może pewne ograniczenia, w przypadku pułapek jonowych są one rozwiązaniem bardzo pożądanym i niezbędnym, gdy myślimy o stworzeniu procesora kwantowego (w analogii tej funkcji) jako „serca” komputera. Technologia komputerów kwantowych na pułapkach jonowych to obiecująca technologia, która może zrewolucjonizować wiele dziedzin. Systemy oparte na pułapkach jonowych cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na długie czasy koherencji i wysoką dokładność sterowania procesami kwantowymi.
Wyzwaniem w opracowaniu tej technologii są m.in. korelacja liczby kubitów (czyli kwantowych bitów), poprawa czasu ich koherencji oraz tworzenie nowych algorytmów i oprogramowania kwantowanie. Praktyczna realizacja algorytmów na komputerze kwantowym wymaga stworzenia i stabilnego utrzymania kubitów oraz ich odpowiedniego splątania. Konsorcjum opracowuje technologie dla komputerów kwantowych opartych na pułapkach jonowych typu „blade” Ca40 do 100 jonów, wspieranych zintegrowanymi systemami optycznymi, sterowania i odczytu, rozwijając kompletny „stos kwantowy”, czyli zintegrowany zestaw komponentów sprzętowych i programowych, który pozwoli w pełni wykorzystać potencjał komputerów kwantowych.
Pracuje także nad integracją sprzętu i oprogramowania, w tym układów scalonych dla nowej generacji procesorów kwantowych i kompilatorów do eksperymentów kwantowych. Niektóre komponenty, np. lasery, są kupowane od zagranicznych dostawców, jednak kluczowe elementy, jak elektronika sterująca czy oprogramowanie do optymalizacji obliczeń kwantowych, są efektem prac zespołu MIKOK i powstają wyłącznie w Polsce.
DKWOC/Politechnika Warszawska– Rozwijana przez nas od ponad dekady szybka elektronika jest jedną z najlepszych na świecie i jest sercem naszej infrastruktury. Z powodzeniem jest stosowana przez wiodące zespoły na całym świecie do prac nad budową komputerów kwantowych, zegarów atomowych i sensorów. Konstruowana przez nas infrastruktura jest wyposażana w najnowszą wersję tych układów elektronicznych – podkreśla prof. Jan Szmidt z Politechniki Warszawskiej, Kierownik Projektu MIKOK. – Jednocześnie w ramach projektu MIKOK tworzona jest suwerenność technologiczna poprzez rozwój krajowych kompetencji i zespołu specjalistów w zakresie technologii kwantowych.
– Rozwój technologii kwantowych w Polsce jest kluczowy dla przyspieszenia krajowej transformacji i zwiększenia konkurencyjności w zakresie nowoczesnych technologii. Dzięki pionierskim projektom, w których uczestniczą naukowcy z Politechniki Warszawskiej, Polska ma realną szansę stać się centrum innowacji w dziedzinie budowy wysokiej jakości infrastruktury i oprogramowania dla technologii kwantowych – podnosi dr inż. Zbigniew Wawrzyniak z Politechniki Warszawskiej, Wykonawca Projektu MIKOK.
Źródło: Politechnika Warszawska
