Kwantowa Polska. Nasi badacze wśród elity technologicznej rewolucji

Prof. dr hab. Marek Żukowski kieruje Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych (ICTQT) na Uniwersytecie Gdańskim. Centrum działa w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze prowadzonego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej i finansowanego ze środków pochodzących z funduszy europejskich z programu Inteligentny Rozwój (POIR). Prof. Żukowski, który teoretycznymi podstawami technologii kwantowych zajmuje się od lat 80., widzi w nich wielką szansę na rozwój różnych dziedzin gospodarki.

W 2022 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki uhonorowano Johna Clausera, Alaina Aspecta i Antona ­Zeilingera za badania, które utorowały drogę dla technologii opartej na informacjach kwantowych. Czy ta nagroda zmieniła coś na Państwa polu badań?

PROF. DR HAB. MAREK ŻUKOWSKI: Na pewno bardzo zmieniło się życie laureatów. Choć jeden z nich jest moim długoletnim współpracownikiem i przyjacielem, dziś jest tak zajęty, że trudno mu znaleźć czas na rozmowę.

Mam nadzieję, iż nagroda uświadomi przemysłowi i politykom, że fizyka kwantowa stała się trwałym elementem współczesnej nauki i że można z nią wiązać nadzieje także w kwestii zastosowań. To dziedzina, którą przez wiele lat właściwie pogardzano. Doskonałym przykładem może być to, że dr John Clauser, fizyk kwantowy i jeden z trzech laureatów Nagrody z 2022 r., swój pierwszy „noblowski” eksperyment przeprowadził jeszcze w 1972 r. Na Nobla czekał więc pół wieku. Profesury w USA nie doczekał się nigdy.

Jak to?

Musiał założyć własną firmę, John F Clauser Associates, by mieć adres, pod którym mógłby zdobywać granty naukowe. Żadna instytucja nie była zainteresowana tym, by prowadził swoje badania pod jej szyldem.

W Polsce też było tak trudno?

Przez lata odradzano mi zajmowanie się badaniami nad splątaniem kwantowym. Kiedy próbowałem przedstawić na seminarium swoje dość oryginalne wyniki, dopiero za trzecim razem zakończyło się bez awantury. Za pierwszym razem nie wyszedłem poza tytuł, za drugim – poza treści pierwszej strony. Zakrzykiwano mnie, że chyba zwariowałem. Było bardzo, bardzo ciężko.

Mało jest jednak dziedzin, gdzie walidacja po latach byłaby aż tak spektakularna.

Ten spektakularny sukces jest w dużym stopniu zasługą Antona Zeilingera. Badania nad splątaniem kwantowym wydobyły się ze „strefy pogardy”, w jakiej tkwiły do lat 90. Zacząłem się zajmować technologiami kwantowymi w 1987 r. Jakiś czas później zauważył mnie prof. Zeilinger i zaprosił do Innsbrucku w charakterze profesora wizytującego.

Pracowaliśmy nad tym, jak rozszerzyć tzw. eksperymenty bellowskie, aby obejmowały interferencję trój- i więcej cząstkową. Po wielu próbach udało się nam opracować teoretyczne podstawy, które m.in. w 1997 r. pozwoliły Zeilingerowi przeprowadzić przełomowy eksperyment: kwantową teleportację. To zmieniło zupełnie obraz fizyki kwantowej. Ludzie nagle zauważyli, że daje ona szansę na rozwój bardzo interesujących technologii. To wielka zmiana, którą dokonał Zeilinger.

Po 40 latach prac badawczych teraz przechodzimy do praktycznych zastosowań. Wyjaśnijmy, dlaczego technologie kwantowe są tak istotne, co mogą nam dać w przyszłości, a co dają już teraz.

Pierwsze zastosowania już mamy. Np. dr hab. Marcin Pawłowski, mój były doktorant, profesor Uniwersytetu Gdańskiego, razem z kolegami z uniwersytetu w Chile stworzył firmę, która produkuje kwantowe generatory liczb prawdziwie losowych. Jeden z nich wykorzystywany jest w chilijskiej loterii, która korzysta z niego zamiast z tradycyjnych kulek.

Losowość klasyczna, np. rzut monetą, jest pozorna. Bierze się wyłącznie z tego, że nie jesteśmy w stanie precyzyjnie kontrolować warunków początkowych tego ruchu. Tymczasem losowość kwantowa wynika z praw natury. Generatory liczb prawdziwie losowych są kluczowe w wielu zastosowaniach.

Na przykład?

W wielu metodach kryptograficznych potrzebujemy ciągów liczb prawdziwie losowych. Gdyby ktoś się włączył do nieszyfrowanej ­rozmowy, poznałby jej treść. Gdybyśmy jednak na każdy bit (bit to 0 lub 1) takiej rozmowy losowo nałożyli jeszcze jeden przypadkowy bit, wówczas przekaz wyglądałby na całkowicie przypadkowy. Jeżeli odbiorca ma kopię tego, co nałożyliśmy, to wie, który bit został zmieniony, a który nie, i wówczas może odczytać wiadomość. W kryptografii bardzo ważne jest więc, by zarówno nadawca, jak i odbiorca posiadali dwie identyczne kopie zupełnie przypadkowych liczb.

Na czym polegają szyfrogramy?

Mamy sensowną informację, np. „Ala ma kota”, a w przekazie jest np. „SERTVNOPLKMD”. Nie znając sposobu szyfrowania, nie poznamy prawdziwej informacji. Jeśli to szyfrowanie algorytmiczne, a algorytm jest wielokrotnie używany, po pewnym czasie ktoś może nauczyć się odczytywać takie wiadomości (proszę sobie przypomnieć film o Enigmie). Jeśli jednak jest to szyfrowanie zawsze oparte na ciągu na bieżąco jednorazowo generowanych przypadkowych 0 lub 1, o takiej samej długości co kodowana wyrażona bitami wiadomość, nikt nigdy nie będzie w stanie go złamać.

Generacja liczb przypadkowych, które dzięki korelacjom Einsteina, Podolskiego i Rosena mogą być generowane jednocześnie u dwóch osób, pozwala na istnienie dwóch identycznych kopii takich ciągów liczb, co zapewnia nam całkowite bezpieczeństwo.

Gdański ICTQT jest jednym z najważniejszych w Polsce ośrodków prac nad technologiami kwantowymi. Na czym się skupiacie?

Gdańsk był pierwszym ośrodkiem w Polsce, który na poważnie zajął się technologiami kwantowymi. Do tej pory odczuwamy tego pozytywne skutki, bo udało się nam przeprowadzić wiele fundamentalnych badań, kiedy ta dziedzina się dopiero rodziła. Nasze centrum w coraz większym stopniu zaczyna zajmować się rzeczywistymi zastosowaniami oraz budową urządzeń i sieci komunikacji kwantowych.

Jesteśmy teoretykami, więc współpracujemy z grupami eksperymentalnymi. Naszym oficjalnym partnerem jest instytut IQOQI w Wiedniu, którego założycielem jest prof. Anton Zeilinger. Współdziałamy też m.in. z Uniwersytetem Sztokholmskim, gdzie naszym przyjacielem i współpracownikiem jest prof. Mohamed Bourennane. Współpracujemy także z kilkoma firmami, które chcą wdrażać nasze rozwiązania, takie jak generatory liczb losowych, ogólne idee budowy sieci komunikacji kwantowych oraz wykorzystanie kwantowych własności w sensorach.

To wszystko „gorąca” dziedzina. Rynek technologii kwantowych do końca dekady może być wart ponad 100 mld dolarów. Jest o co walczyć.

To olbrzymia szansa dla rozwoju nauki, gospodarki i biznesu. Z racji tego, że jesteśmy w Gdańsku, chcemy nasze rozwiązania przynajmniej w pewnym stopniu ukierunkować na problematykę morską. Przykładami mogą być: bezpieczna sieć komunikacyjna farm wiatrowych czy zastosowania w infrastrukturze portowej, które będą przewyższać konwencjonalne technologie pod względem ochrony przed zakłóceniami.

Dlaczego tak istotne jest, by te badania prowadzono właśnie w Polsce?

Po pierwsze, szybko stworzyliśmy tu ekspercki zespół. Ja zajmowałem się badaniami dotyczącymi stosowania optyki kwantowej, informacji kwantowej i współpracą z grupami eksperymentalnymi, ale też jest tutaj światowej sławy rodzina Horodeckich, autorów fundamentalnych prac dotyczących teorii matematycznej splątania kwantowego.

Wprawdzie przez pierwszą ponad dekadę mojej pracy nad splątaniem mój budżet naukowy wynosił zero, ale później dostaliśmy wsparcie z FNP i Unii Europejskiej. Potem powstało Narodowe Centrum Nauki, które wprowadziło sensowną i transparentną politykę grantową. Wreszcie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej w 2018 r. przekazała nam olbrzymi grant w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze, z którego zbudowaliśmy centrum ICTQT. Prawda jest taka, że po prostu jesteśmy dobrzy w tym, co robimy. Jeśli Polska zmarnuje tę szansę, będziemy mogli powiedzieć sobie: „miałeś chamie złoty róg”.

Po drugie, w tej chwili w dziedzinie zastosowań kwantowych jest jeszcze bardzo dużo pomysłów do wykorzystania. Start-upy, które powstałyby w Polsce czy we współpracy z Polską, mogłyby odegrać w światowej gospodarce znacznie większą rolę niż próby budowy samochodu elektrycznego.

Mamy szansę na stworzenie w Polsce „Doliny Kwantowej”?

Blisko Trójmiasta realizujemy projekt stworzenia niewielkiego laboratorium kwantowego. Ma pracować nad prototypami, które będą miały wartość rynkową. Zorientowaliśmy się, że planowane miejsce jest przy ulicy Krzemowej. Może to dobry znak.

Co nam mogą dać te technologie w perspektywie np. pięciu lat?

Za jakieś pięć lat mogą już istnieć pewne długodystansowe łącza kwantowe, które będą wykorzystywane do przekazywania informacji najwyższego stopnia poufności. Kwantowe generatory liczb losowych będą łatwo dostępne na rynku. Każdy będzie mógł sobie kupić takie urządzenie, podłączyć do komputera i mieć prawdziwą losowość. Nasz kampus położony jest blisko centrum finansowo-biznesowego „Olivia”, gdzie znajduje się mnóstwo biurowców. Sądzę, że to właśnie w takich miejscach powinny powstawać łącza kwantowo kryptograficzne, zapewniające całkowite bezpieczeństwo przekazu.

To będzie faktycznie taki przełom, który każdy w jakiś sposób odczuje?

Każdy odczuje, choć nie każdy będzie go świadomy. Ludzie nie są świadomi tego, jak działa telefon komórkowy. Bardzo możliwe, że krótkie, istotne wiadomości, np. PIN-y czy hasła, będą szyfrowane kwantowo. Będzie to zapewniać najlepsze możliwe bezpieczeństwo. ©

PROF. MAREK ŻUKOWSKI, fizyk teoretyk, specjalizuje się w kwantowej optyce, interferometrii i komunikacji. Opracował wraz z laureatem Nagrody Nobla (2022) Antonem Zeilingerem metody otrzymania interferencji wielu fotonów, które umożliwiły m.in. kwantową teleportację. 

Program Międzynarodowe Agendy Badawcze jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków funduszy strukturalnych w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój (POIR) 2014–2020, Działanie 4.3. Międzynarodowe Agendy Badawcze.

Więcej o wynikach badań z polskich laboratoriów w raporcie pt. „Nauka w czasach przemian. Jak badania finansowane z Funduszy Europejskich pomagają chronić nas przed globalnymi zagrożeniami i wykorzystywać historyczne szanse”: www.fnp.org.pl