Technologie kwantowe: nauka tworzy szanse dla gospodarki

Materiał powstał we współpracy z Fundacją na rzecz Nauki Polskiej

Polscy naukowcy prowadzą pionierskie badania nad technologiami kwantowymi, są w stanie przeprowadzić proces wdrożenia i komercjalizacji. W niektórych obszarach, takich jak kryptologia kwantowa czy obrazowanie kwantowe, dysponujemy wiodącymi ośrodkami na świecie. Jednak bardzo poważną barierą dla polskiej nauki jest biurokracja, która mocno spowalnia proces badawczy – to wnioski z debaty „Technologie kwantowe – naukowe rozwiązania szansą dla polskiej i światowej gospodarki” zorganizowanej przez „Rzeczpospolitą” i Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Debata została sfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.

Fizyka, która ociera się o magię

Czym są technologie kwantowe? Można podzielić je na dwa rodzaje – wskazał prof. Marcin Pawłowski, lider grupy kwantowego cyberbezpieczeństwa i komunikacji z Uniwersytetu Gdańskiego, laureat programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej finansowanego z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. – Mamy stare technologie kwantowe, które były wytworzone podczas pierwszej rewolucji kwantowej, czyli lasery albo tranzystory. To, co się dzieje teraz, podczas drugiej rewolucji kwantowej – chodzi o kwantowe komputery, kwantową kryptografię, niezwykle dokładne pomiary – ociera się o magię – mówił.

– To technologie, które de facto były niewyobrażalne dla ojców mechaniki kwantowej, ponieważ wiele rzeczy, które teraz robimy w laboratoriach – na przykład manipulacja pojedynczymi atomami, fotonami, cząsteczkami – było traktowanych przez prekursorów mechaniki kwantowej jako eksperymenty myślowe. Robimy rzeczy, które nie śniły się gigantom tworzącym mechanikę kwantową w przeszłości – tłumaczył prof. Michał Tomza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, laureat programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej finansowanego z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.

Profesor Maciej Żylicz, prezes zarządu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, podkreślał znaczenie technologii kwantowych. – To technologie niezbędne dla rozwoju naszego świata. Komputery kwantowe, sensory, kryptografia czy komunikacja kwantowa są postrzegane na świecie jako technologie krytyczne. 37 z 44 z tych krytycznych technologii jest rozwijanych w Chinach. Następne są Stany Zjednoczone, Europa bardzo rzadko występuje w tym rankingu. Powinniśmy mieć swój wkład w rozwój takich technologii, bo za parę lat będzie już za późno, kiedy Stany Zjednoczone, Japonia czy Chiny zostaną monopolistami – zaznaczył.

Wsparcie dla polskich naukowców

Fundacja na rzecz Nauki Polskiej wspiera polskich naukowców pracujących nad technologiami kwantowymi. Przyznaje m.in. indywidualne nagrody i zespołowe granty. – Oprócz tego budujemy centra doskonałości naukowej w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze. Z 14 centrów MAB, które powstały w Polsce, dwa – w Gdańsku i Warszawie – oparte są na informatyce kwantowej – mówił prof. Żylicz.

Polscy naukowcy już mają spore osiągnięcia z zakresu informatyki kwantowej – jednym z nich jest generator liczb losowych. Wiele zespołów pracuje też nad innymi zagadnieniami, jak nowe materiały czy nowy sposób obrazowania. – Osoby, które są zaangażowane w te badania, próbują zainspirować środowisko europejskie. W ramach Euronetu powstają różne struktury współpracy w Europie. Jedną z nich jest QuantERA, skupiająca w Unii Europejskiej wiele bardzo ciekawych zespołów, które zaczęły ze sobą współpracować. I to jest moim zdaniem przyszłość – ocenił prof. Żylicz.

Kryptografia kwantowa

Zespół prof. Marcina Pawłowskiego pracuje nad technologiami, które mają zapewnić całkowite bezpieczeństwo danych przesyłanych w sieci. Czy jest to w ogóle osiągalne? – Oczywiście, że nie, ale mechanika kwantowa pozwala na osiągnięcie idealnego zabezpieczenia pewnych elementów. Jest milion rzeczy, które mogą pójść nie tak i ktoś niepowołany może podsłuchać np. rozmowę prowadzoną przez internet. Ale technologie kwantowe znacznie ograniczają takie ryzyko – tłumaczył prof. Pawłowski.

Urządzenia, jak wspomniane wcześniej generatory liczb losowych, służą do generowania bezpiecznych haseł lub kluczy kryptograficznych. – Nikt nie może ich zgadnąć. To jest duży problem w technologiach klasycznych, bo np. klucze kryptograficzne często tworzone są za pomocą nie najlepszych generatorów liczb losowych. Bardzo łatwo, czasem wręcz przypadkowo, można je złamać. Agencje wywiadowcze specjalizują się w tym, żeby psuć generatory liczb losowych w taki sposób, żeby klucze były łatwe do zgadnięcia – podkreślał prof. Pawłowski.

Kwantowe generatory liczb losowych przeszły pełen proces komercjalizacji. – Wymyśliliśmy je i opatentowaliśmy. Następnie założyliśmy start-up, który zdobył licencje od Uniwersytetu Gdańskiego, wyprodukował generatory i je sprzedał. To już jest dojrzały produkt, ale mamy też dużo rzeczy, które na razie są luźnymi pomysłami – zdradził prof. Pawłowski.

– Chcielibyśmy powtórzyć sukces generatorów w innym przedsięwzięciu: dystrybucji kluczy kryptograficznych. Chodzi o to, aby do dwóch różnych urządzeń trafił klucz kryptograficzny, którego użyją do wspólnej komunikacji. Ma on działać w taki sposób, żeby nikt inny na świecie go nie znał. Rozwiązania dostępne teraz na rynku są tak proste do złamania, że większość agencji rządowych wręcz nie zaleca używania kryptografii kwantowej. Mamy pomysły na rozwiązanie tego problemu. Chcemy powtórzyć nasze rozwiązanie z generatorów liczb losowych i stworzyć system dystrybucji klucza, który jest superbezpieczny, efektywny ale jednocześnie niezbyt drogi – dodał.

Profesor Pawłowski przyznał, że naukowcy zajmujący się informatyką kwantową mogą mieć trudność z określeniem obszaru swoich badań. Powód jest prosty: problemy, które rozwiązuje informatyka kwantowa, często wcześniej zostały uznane za niemożliwe do rozwiązania. – Ludzie nawet nie wiedzą, że takie problemy można rozwiązać, więc nawet nie proponują, żeby się nimi zająć. Z kolei my, informatycy kwantowi, siedzimy w naszej hermetycznej dziedzinie i nie wiemy, jakie może być praktyczne zastosowanie wyników naszych badań. Dlatego często wymyślamy rzeczy, które są nikomu nieprzydatne, i myślę, że to jest największy problem związany z naszą aktywnością – stwierdził.

Doktor Michał Karpiński z Laboratorium Fotoniki Kwantowej działającego na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, laureat programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej finansowanego z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, bada m.in. splątanie spektralno-czasowe. – Staramy się analizować sposoby kontrolowania oraz mierzenia własności pojedynczych fotonów oraz grup pojedynczych fotonów. Ze względów technologicznych wiele rzeczy było do niedawna niemożliwych do zrealizowania. Teraz to się zmienia i umożliwia nam prowadzenie badań – mówił dr Karpiński.

– Moje badania mają aspekt podstawowy. Chcemy zrozumieć, w jaki sposób kontrolować światło na najbardziej podstawowym poziomie, czyli na poziomie pojedynczych fotonów. Pojawiają się już szanse na praktyczne zastosowania wyników naszej pracy. Jednym z nich są nowe metody kodowania do kryptografii kwantowej. Współpracowaliśmy z Politechniką Warszawską i niewykluczone, że z tej współpracy wyniknie coś praktycznego – zdradził naukowiec z UW.

Podkreślił, że jego zespół potrafi już zmieniać własności fotonów bez ich niszczenia. To pozwala na stworzenie interfejsu kwantowego, czyli urządzenia, które zmienia sposób przenoszenia informacji kwantowej. – Tworzymy urządzenia, które pozwalają zmieniać własności pojedynczych fotonów tak, żeby stały się kompatybilne z innymi urządzeniami, które mogą te pojedyncze fotony wczytywać – tłumaczył dr Karpiński–

W laboratorium trwają ostatnie prace nad tą technologią. Konwertery łączone są z komercyjnie dostępnymi źródłami pojedynczych fotonów. – Mamy pierwszą demonstrację kompatybilności naszego interfejsu, składamy wniosek patentowy, planujemy kolejny – podkreślił Karpiński.

Zaznaczył, że komercjalizacja może być trudna, gdyż w swoim otoczeniu nie ma osób z doświadczeniem tego rodzaju. – Przyszedłem na uniwersytet w celu zajmowania się badaniami naukowymi. Zakładanie firmy nie było w moich planach. Natomiast obserwując rozwój technologii kwantowych, a także współpracując z członkami mojego zespołu, widzę coraz więcej możliwości w tym kierunku – stwierdził.

Badania dr. Karpińskiego mają pionierski charakter. Na świecie zajmuje się tym niewiele jednostek. – W Polsce mamy dostęp do urządzeń na wysokim światowym poziomie – zauważył. Jednak w miarę rozwoju badań laboratoria trzeba doposażać. A z tym jest problem. Nie chodzi o pieniądze, lecz o procedury i biurokrację. – Z roku na rok rośnie poziom biurokracji przy prowadzeniu badań naukowych – podkreślił dr Karpiński.

Supersilne mikroskopy

Doktor Radek Łapkiewicz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, laureat programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej finansowanego z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, zajmuje się szeroko pojętym obrazowaniem. – Jedną z gałęzi jest mikroskopia fluorescencyjna do zastosowań biologicznych. Inną, która jeszcze nie do końca się z tamtą połączyła, jest tak zwane obrazowanie kwantowe. Mechanika kwantowa pozwala nam zrobić rzeczy, których klasyczna inżynieria nie oferuje – mówił.

– Okazuje się, że używając splątania kwantowego, można uzyskać obraz, w ogóle nie rejestrując światła, które oddziaływało czy odbiło się od obiektu. Czyli jedna wiązka światła oświetla obiekt i jej nigdy nie rejestrujemy – tłumaczył badacz. – Rejestrujemy drugą wiązkę światła, która może mieć inną długość fali i jest splątana tą pierwszą wiązką. Dzięki temu możemy poznać właściwości jakiegoś obiektu. Naszym celem jest, aby uzyskać to bez jakichś skomplikowanych detektorów, ale przy użyciu kamery ze smartfona. Umożliwiamy coś takiego – wyjaśnił Łapkiewicz.

To jest pierwszy przykład zastosowania efektów kwantowych do obrazowania. W ramach projektu FIRST TEAM dr Łapkiewicz rozwija też mikroskopię fluorescencyjną poprzez konstrukcję coraz bardziej doskonałych detektorów. – Rozdzielczość w mikroskopii fluorescencyjnej, na przykład używanej przez neurobiologów, którzy chcieliby zrozumieć nasz mózg, można poprawić, mierząc korelacje kwantowe – mówił naukowiec. I tutaj kluczową rolę odgrywają detektory. Od około dziesięciu lat bardzo szybko rozwijają się tak zwane spad arrays (ang: single photon avalanche diode array), bardzo szybkie i czułe kamerki. – My jakby na gapę używamy tych detektorów do innych zastosowań i wstawiamy je do mikroskopu. Okazuje się, że taki obraz ma lepszą rozdzielczość – dodał.

Zespół dr. Łapkiewicza współpracuje z Instytutem Weizmanna w Izraelu. – Przez chwilę próbowaliśmy pracować nad mikroskopią fluorescencyjną sami. Ale znacznie przyspieszyliśmy, od kiedy zaczęliśmy prowadzić badania z partnerem, który już rozwinął wiele metod mikroskopii i doskonale współpracuje z biologami. Wielu członków naszego zespołu odwiedzało laboratorium w Izraelu. Tam pracowaliśmy, potem przyjeżdżaliśmy do Warszawy i staraliśmy się rozwijać układy z Izraela. Potem badacze z Instytutu Weizmanna przyjeżdżali do nas. Czasem nasze układy były już lepsze niż te u nich. Ciągle wspólnie pracujemy nad wynikami – tłumaczył naukowiec.

Szansa na nowe materiały

Technologie kwantowe mogą znaleźć zastosowanie przy tworzeniu nowych materiałów. Zajmuje się tym prof. Michał Tomza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i jego zespół.

– Wkład technologii kwantowej do nowych materiałów można rozumieć na dwa sposoby. Z jednej strony materiały kwantowe, pojedyncze atomy, cząsteczki, są same w sobie nowym typem materii. Na przykład w ostatnich latach po raz pierwszy wygenerowano odpowiednik nadciekłości. Stan nadstały, czyli ciało stałe, które zachowuje się jak układ nadciekły. Z drugiej strony jest możliwość wykorzystania pojedynczych atomów, pojedynczych cząsteczek i zbudowanych na nich urządzeń do odkrywania właściwości nowych materiałów – mówi prof. Tomza.

Podkreślił, że technologie kwantowe oparte na symulacjach kwantowych mogą nam pozwolić lepiej zrozumieć różne zjawiska, chociażby nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. – Do dzisiaj nie mamy jeszcze w temperaturze pokojowej nadprzewodników w standardowych ciśnieniach, które można by wykorzystywać powszechnie. Wynika to z faktu, że nie do końca rozumiemy, czego i gdzie szukamy. Użycie technologii kwantowych, kwantowych symulatorów, a w przyszłości komputera kwantowego może po prostu nam pozwolić lepiej rozwiązać równania mechaniki kwantowej. A dzięki temu dowiedzieć się, gdzie szukać – tłumaczył profesor. – Moją ambicją nie jest w żadnym wypadku skonstruowanie komputera kwantowego i jego komercjalizacja, tylko skupienie się na tych drobnych elementach, które są dla niego kluczowe. Chcemy lepiej rozumieć zderzenia, oddziaływania pomiędzy poszczególnymi atomami i cząsteczkami. A te atomy i cząsteczki mogą na przykład budować kubity dla komputera kwantowego – dodał.

Fundacja na rzecz Nauki Polskiej wspiera prof. Tomzę od 14 lat. – Gdyby nie warunki stworzone przez Fundację, to na pewno wyjechałbym za granicę i być może już nigdy nie wrócił – ocenił naukowiec. – Jednocześnie Fundacja odważnie inwestuje w bardziej ryzykowne badania. Stara się śledzić trendy, idąc w ostatnich latach w kierunku technologii kwantowej. Uważam, że wkład Fundacji w promowanie jakości nauki i finansowanie najlepszych naukowców, najlepszych grup badawczych, jest absolutnie nie do przecenienia – dodał Tomza.

Profesor Maciej Żylicz, prezes Fundacji, podkreślił, że mamy dwa centra doskonałości naukowej, zajmujące się fizyką kwantową i technologiami kwantowymi. – Chcemy pobudzić mobilność młodych ludzi. Chcemy, żeby wyjeżdżali oni za granicę na różnego rodzaju staże naukowe, ale żeby wrócili do Polski. Pracowali w ośrodkach, w których będzie się prowadziło badania na tak samo wysokim poziomie jak za granicą. Dlatego te centra są niezwykle ważne. Wiele osób z tak zwanej starej Unii Europejskiej tego nie rozumie. Oni chcieliby na stałe mieć młodych naukowców z Polski. Ale my chcielibyśmy, żeby najlepsi wracali i tu pracowali – mówił prof. Żylicz.

Kłopot z biurokracją

Uczestnicy debaty przyznali, że biurokracja to główny problem, z którym zderzają się zespoły naukowe. – Mamy fantastycznych studentów i warunki laboratoryjne, ale biurokracja jest dużym problemem. Chodzi głównie o prawo zamówień publicznych. W laboratoriach ciągle potrzebujemy nowych rzeczy: takiej a nie innej soczewki, potem jeszcze filtra. Składamy skomplikowane układy i na bieżąco identyfikujemy, co będzie nam potrzebne. A prawo o zamówieniach publicznych wtłacza nas w tę samą przegródkę, w której jest budowa autostrad. Działamy w systemie niedopasowanym do naszej rzeczywistości. Nie spotkałem nikogo w Europie Zachodniej, kto miałby podobne problemy. Tam moi znajomi, jeżeli potrzebują soczewki czy filtra, po prostu wchodzą na stronę producenta, zamawiają, a część po dwóch dniach jest u nich na biurku. U nas sprowadzanie soczewki trwa rok – ubolewał dr Łapkiewicz.

Profesor Żylicz w ramach Fundacji próbuje walczyć z tym problemem. – Zaproponowaliśmy pięć poprawek w ustawie o zamówieniach publicznych. Trzy zostały przyjęte, dwie – najważniejsze – nie. Urzędnicy zrzucają to na Unię, co jest nieprawdą. Procedury unijne obowiązują wszystkich, a mimo to Niemcy czy Austriacy radzą sobie z nimi dużo lepiej. Problem niestety polega na tym, że urzędnicy w Polsce chcą być świętsi niż sam papież, w związku z tym narzucają bzdurne przepisy. Nie mają zaufania. Publiczne pieniądze w sposób nieuczciwy wydaje najwyżej 1 procent osób. A z braku zaufania blokujemy pracę naukową wszystkim. I to jest tragedia, z którą walczymy przez wiele ostatnich lat – tłumaczył profesor.

„Dolina kwantowa” w Polsce

Uczestnicy debaty zastanawiali się, co musi się stać, żeby w Polsce powstała „dolina kwantowa”. Jak zostać liczącym się krajem, jeżeli chodzi o badania nad technologiami kwantowymi?

– Tak się przypadkiem złożyło, że kiedy powstała informatyka kwantowa i na świecie zajmowało się nią może ze 100 osób, w Polsce mieliśmy całkiem sporo wyspecjalizowanych w niej naukowców. Nasi eksperci wyszkolili następne pokolenie, dzięki czemu teraz mamy bardzo duży potencjał naukowy. Jeżeli dobrze nim zarządzimy, może naprawdę przynieść bardzo duże korzyści. Szansa na dolinę jest, ale czy uda nam się ją wykorzystać? Zobaczymy – stwierdził prof. Marcin Pawłowski.

Profesor Michał Karpiński przyznał, że mamy szansę na „dolinę kwantową”. Ale trzeba wdrożyć odpowiednie rozwiązania. – W takich krajach jak Holandia, Niemcy, Wielka Brytania istnieją narodowe programy kwantowe. W Polsce takiego programu nie ma. Te programy są w szczególności nakierowane na wdrożenia, na łączenie naukowców z firmami. U nas tego brakuje. To by nam pozwoliło stać się konkurencyjnymi i pozwoliłoby na wykorzystanie dużego potencjału intelektualnego, którym dysponujemy – ocenił naukowiec.