Kwantowa rewolucja polskich fizyków - szefem zespołu kobieta fizyk

Do tej pory laboratoria na całym świecie wykorzystywały przede wszystkim tzw. nierówności Bella, metodę opracowaną w 1964 r. przez irlandzkiego fizyka, który podważył jedną z teorii Einsteina dotyczącą badań nad mechaniką kwantową. Zespół pod kierownictwem dr hab. Magdaleny Stobińskiej w którego prace istotny wkład wniósł dr Adam Buraczewski, oraz zespół prof. dr hab. Pawła Horodeckiego z Politechniki Gdańskiej i Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej z dr Adamem Rutkowskim z Uniwersytetu Gdańskiego, dostarczył międzynarodowej społeczności łatwiejszą w implementacji metodę, która dostosowana jest do najnowszych układów doświadczalnych w laboratoriach optycznych i która przyczyni się do lepszego zrozumienia korelacji kwantowego sterowania.

Jak wyjaśnia dr hab. Magdalena Stobińska, kwantowe sterowanie można porównać do zabawy marionetką, gdzie rolę niewidzialnych sznurków pełnią kwantowe korelacje, czyli splątanie dwóch lub więcej cząstek. Dzięki takim stanom splątanym, możliwa jest np. znana z filmów science fiction kwantowa teleportacja, czyli przeniesienie stanu cząstek (informacji) na odległość.

Dr hab. M. Stobińska ma nadzieję na wykorzystanie polskiej metody w przyszłych technologiach kwantowych, m.in. w celu certyfikowania urządzeń pod kątem bezwarunkowego bezpieczeństwa przesyłania informacji lub użycia ich do obliczeń kwantowych. Dzięki temu nowa metoda kwantowego sterowania pomoże przeprowadzić tzw. drugą rewolucję kwantową, która zaowocuje zastosowaniami technologii kwantowych w życiu codziennym.

Cel projektu

Technologie kwantowe to różnorodne praktyczne zastosowania niezwykłych własności świata kwantów. Rozwiązania te pozwalają przezwyciężyć ograniczenia urządzeń, których działanie oparte jest na zjawiskach opisanych prawami fizyki klasycznej. Dzięki mechanice kwantowej możliwe jest na przykład konstruowanie niezawodnych systemów bezpieczeństwa informacji lub superczułych detektorów chemicznych i biologicznych. Szczególnie obiecującą platformą dla technologii kwantowych jest optyka zintegrowana. Specjalne chipy fotoniczne zbudowane z falowodów wykonanych w nieliniowych kryształach są w optyce tym, czym układy scalone w elektronice: umożliwiają budowanie systemów o nieosiągalnym dotąd stopniu złożoności, miniaturyzacji i kontroli parametrów funkcjonowania.

Obiektem studiów w projekcie jest nowa, kwantowo-optyczna zintegrowana platforma czasowo-częstotliwościowa, która niedawno stała się przedmiotem intensywnych badań w najlepszych laboratoriach na świecie. Pozwala ona wytworzyć serie pojedynczych fotonów, które są dodatkowo kształtowane w dziedzinie częstotliwości. Naszym celem jest opracowanie specjalistycznych metod teoretycznych do analizowania tej platformy, rozwinięcie jej funkcjonalności oraz zastosowanie w wybranych technologiach kwantowych o dużym znaczeniu praktycznym. Optyka zintegrowana będzie użyta do badania złożonej kwantowej interferencji światła jak również oddziaływania fotonów z nanomateriałem o ogromnym potencjale – grafenem. Wydział Fizyki UW stanie się pierwszym polskim ośrodkiem dysponującym taką aparaturą we własnym laboratorium kwantowo-optycznym. Będzie to możliwe dzięki współpracy naukowej z Uniwersytetem Oxfordzkim oraz Uniwersytetem Paderborn, które są wiodącymi ośrodkami w zakresie technologii optyki zintegrowanej, a także z Laboratorium Grafenowym Politechniki Warszawskiej i firmą Raith GmbH, które przygotują próbki grafenu. Zespół będzie także ściśle współpracował z doskonałym środowiskiem naukowym Wydziału, w szczególności z Zakładem Optyki, Katedrą Fizyki Materii Skondensowanej oraz Zakładem Fizyki Ciała Stałego.

Drugim ważnym celem projektu jest powołanie nowego zespołu badawczego. Młodzi naukowcy odbędą szkolenia u partnerów zagranicznych, zbudują aparaturę a następnie zastosują ją do innowacyjnych badań. Wynikiem ich pracy będą doktoraty i unikalna, praktyczna wiedza. Kierownikiem projektu i jednym z partnerów naukowych są kobiety, co mam nadzieję zachęci panie do studiowania tej ciekawej gałęzi wiedzy.

Co stanowi o innowacyjności projektu?

Zastosowanie kwantowej optyki zintegrowanej w dziedzinie czasowo-częstotliwościowej umożliwi przeprowadzenie ciekawych eksperymentów kwantowo-optycznych. Uprości także schematy doświadczalne, zastępując wiele drogich urządzeń pojedynczym kryształem – optycznym „procesorem” – i detektorem, które są połączone światłowodami. Wszystkie nasze doświadczenia będą realizowane w paśmie fal 1550nm, kompatybilnym z istniejącymi, komercyjnymi urządzeniami fotonicznymi, dzięki czemu opracowane technologie będą łatwiejsze do wdrożenia. Ważnym rezultatem projektu będą metody teoretycznego badania oraz charakteryzowania nowej platformy, które naukowcy chcą opracować. Zastosują w tym celu zaawansowane podejście analityczne oraz nowoczesne numeryczne obliczenia z użyciem superkomputerów.

W projekcie zamierzają zastosować nową platformę optyki zintegrowanej do przeprowadzenia dwóch ważnych serii eksperymentów. Pierwszą będzie kwantowa interferencja wielu fotonów charakteryzująca się olbrzymią złożonością, z której wynika nieprzewidywalność odczytów detektora. Badacze chcą zastosować zaawansowane narzędzia matematyczne w celu weryfikowania losowości uzyskanej dzięki tej interferencji a następnie opracować na tej podstawie prototyp kwantowego generatora liczb losowych. Byłby to pierwszy generator wykorzystujący matematycznie certyfikowane źródło oparte na wielofotonowej interferencji.

W drugiej linii badań zamierzają sprawdzić, jakie warunki musi spełniać światło aby zostało zaabsorbowane przez grafen oraz podjąć próbę zastosowania go w kwantowej plazmonice. Plazmony są wirtualnymi cząstkami złożonymi z elektronów i fotonów, żyjące na powierzchni różnych nanomateriałów, które reagują np. na zmiany składu chemicznego otoczenia. W celu ich wytworzenia naukowcy chcą zastosować najmniejsze struktury grafenowe na świecie, o rozmiarach rzędu kilkunastu nanometrów. Prace te przyczynią się więc także do rozwoju nanolitografii.

Co w ramach projektu ma zostać osiągnięte?

Układy optyki zintegrowanej charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, odpornością na warunki zewnętrzne oraz dużą wydajnością. Upatruje się w nich możliwość przezwyciężenia ograniczeń współczesnej elektroniki. Badania polskich naukowców będą wkładem w międzynarodowe prace nad nową kwantową platformą czasowo-częstotliwościową, które zaowocują nowymi odkryciami i poszukiwaniami ciekawych zastosowań fotonicznych technologii kwantowych. Platforma ta może stać się istotnym składnikiem tzw. „drugiej rewolucji kwantowej”, czyli upowszechnienia technologii kwantowych w życiu codziennym.
 

Zbudowany w ramach projektu prototyp prostego, niezawodnego kwantowego generatora liczb losowych przewyższy jakością losowości dotychczas stosowane źródła oparte na np. szumie termicznym. Liczby losowe są niezbędne np. w protokołach bezpieczeństwa informacji, do tworzenia haseł jednorazowych, autoryzacji transakcji bankowych. Szczególną rolę pełnią w kryptografii, do zabezpieczania transmisji danych w Internecie i w telekomunikacji. Praca nad generatorem przyczyni się więc do poprawy naszego bezpieczeństwa. Liczby losowe są także stosowane w inżynierii i nauce, np. w obróbce dużych zbiorów danych Big Data, algorytmach obliczeniowych Monte Carlo i przetwarzaniu rozproszonym w Internecie.

Zbadanie interakcji kwantowego światła z grafenem będzie pierwszym krokiem w kierunku rozwoju optoelektroniki opartej na grafenie. W przyszłości, grafen może znaleźć zastosowanie w konstrukcji nowej generacji wyświetlaczy, kamer, elastycznych ekranów dotykowych, w których mógłby zastąpić drogie pierwiastki należące do grupy tzw. ziem rzadkich. Oczekuje się, że grafenowe matryce światłoczułe będą stosowane w kamerach pracujących w podczerwieni np. w samochodach, w celu wykrywania pieszych.

Użycie nanostruktur grafenowych do kwantowej plazmoniki w paśmie 1550nm jest bardzo oczekiwane przez środowisko naukowe, które dzięki temu uzyskałoby dostęp do nowych nanomateriałów o ciekawych własnościach optycznych. Badania te mogą otworzyć drogę do budowy tanich, ultraczułych sensorów chemicznych i biologicznych, które zastąpią obecne, oparte na metalach szlachetnych. Sensory znalazłyby zastosowanie w systemach wykrywania zanieczyszczeń powietrza i wody oraz wirusów i bakterii.

Joanna Gąska/ dr hab. Magdalena Stobińska

Obserwuj autorkę na Twitterze