OLAF SZEWCZYK: Panie profesorze, prowadzone przez pana Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT – Quantum Optical Technologies – jednostka działająca w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, deklaruje służebność fizyki kwantowej nowym technologiom. Brzmi to o tyle fascynująco, że wręcz futurystycznie, technologie kwantowe zdają się bowiem wciąż raczej obietnicą niż codziennością. Czy naprawdę żyjemy na progu nowej technologicznej ery?
PROF. KONRAD BANASZEK: Chodzi nie tyle o służebność, ile o fakt, że badania naukowe odkrywają nowe horyzonty i w pewnym momencie okazuje się, że dokonane ustalenia mają wymiar praktyczny. Dobrze ilustruje tę regułę klasyczna anegdota o Faradayu, który rozmawiając z brytyjskim premierem o swym odkryciu zjawiska indukcji elektromagnetycznej, powiedział, że jeszcze nie wie, do czego się może przydać, ale sądzi, że państwo brytyjskie wkrótce je opodatkuje. I, jak się okazało, miał rację.
W fizyce kwantowej w ciągu ostatnich dekad nastąpił gigantyczny postęp – zarówno na polu technik doświadczalnych, jak i w rozumieniu teoretycznym obserwowanych zjawisk, zwłaszcza w kontekście transmisji i przetwarzania informacji. Polscy fizycy wnieśli zasadniczy wkład w stworzenie podwalin informatyki kwantowej. Teraz nadszedł czas, by wyciągnąć z tego praktyczne korzyści. Pokaźne programy badawczo-rozwojowe rozpoczęło wiele krajów. W Polsce ogromne zasługi ma Fundacja na rzecz Nauki Polskiej, która zachęca, by robić badania na najwyższym światowym poziomie, ale też aby myśleć o potencjalnych zastosowaniach. Na przykład poprzez generowanie własności intelektualnej w postaci patentów.
Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT nie jest w swych działaniach osamotnione. Na Uniwersytecie Gdańskim działa bliźniacze Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych. Nasi koledzy z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN koordynują duży projekt poświęcony komputerom kwantowym. Badania w dziedzinie technologii kwantowych są prowadzone także w wielu innych ośrodkach krajowych. Współpracujemy ze sobą, władze naszych instytucji podpisały też wspólny list intencyjny, który wzywa do zapewnienia systemowego wsparcia dla tej dziedziny badań. Jest ono niezbędne, by rozwijać technologie kwantowe na większą skalę. Mamy w Polsce olbrzymi potencjał, trzeba z niego skorzystać.
Z fizyką kwantową wiąże się sporo mitów i uprzedzeń. Trudno winić o nie zwykłego zjadacza chleba, skoro kwantowej, probabilistycznej wizji świata nie ufał nawet Albert Einstein, utrzymując, że „Bóg nie gra w kości” – czyli że u fundamentów świata leży jednak przewidywalność i determinizm. Jak w praktyce można pogodzić zakładaną funkcjonalność technologii – a więc niezawodność, wynikającą z przewidywalności zachodzących procesów – z fizyką, w której genach nie ma wpisanej żelaznej reguły przyczynowości?
Zacznijmy od tego, że wiele technologii wręcz potrzebuje losowości! Gdy wymyślamy nowe hasło do serwisu internetowego, musi być ono losowe, aby nieuprawniona osoba nie mogła go łatwo odgadnąć. Losowość jest ważnym zasobem, zwłaszcza w technologiach informatycznych. Jednymi z najbardziej zaawansowanych produktów w technologiach kwantowych są tzw. kwantowe generatory liczb losowych. Nieoznaczoność mechaniki kwantowej odgrywa także zasadniczą rolę w technikach kryptografii kwantowej. To dzięki niej próba podsłuchu może być zidentyfikowana przez uprawnione strony.
Obszar zainteresowań QOT obejmuje m.in. technologie łączności. Prowadzą państwo badania nad rozwiązaniami, które mają zwiększyć bezpieczeństwo transmisji danych. Jakie możemy wiązać z tym nadzieje?
Trwa nieustanny wyścig między tymi, którzy dbają o cyberbezpieczeństwo systemów łączności, a tymi, którzy chcą je naruszyć. Kamieniem milowym w rozwoju technologii kwantowych była obserwacja, że działający komputer kwantowy pozwoli na złamanie wielu powszechnie używanych obecnie szyfrów. Sposobem na zabezpieczenie się przed tym jest użycie kryptografii kwantowej. Jest to szczególnie ważne, gdy wymagana jest długoterminowa ochrona danych.
Może się bowiem zdarzyć, że przeciwnik teraz przejmie przesyłane dane i po jakimś czasie, gdy będzie dysponował komputerem kwantowym, odszyfruje je. Co więcej, powinniśmy założyć czarny scenariusz, że jeśli ktoś zbuduje komputer kwantowy zdolny do łamania szyfrów, to niekoniecznie się tym będzie chwalił. W naszym centrum pracujemy nad zwiększeniem wydajności, a zarazem uproszczeniem kwantowych metod szyfrowania, aby umożliwić ich szersze użycie.
Zapowiadana przez pana możliwość wykorzystywania technologii kwantowych do zwalczania cyberprzestępstw, w tym kradzieży tożsamości w internecie, sugeruje wykorzystywanie gigantycznej mocy obliczeniowej, jakiej spodziewamy się po komputerach kwantowych. Urządzenia te jednak są jeszcze na etapie prototypów. Czy powyższa deklaracja oznacza, że QOT pracuje nad technologiami, które znajdą zastosowanie w kwantowych jednostkach obliczeniowych?
Nasze badania skupiają się na fizycznej ochronie transmisji. Obecnie całe szyfrowanie odbywa się na drodze obliczeniowej. Systemy łączności optycznej są całkowicie odsłonięte w warstwie fizycznej – w zasadzie każdy może skopiować informację przesyłaną poprzez łącza optyczne. My chcemy uniemożliwić albo przynajmniej znacząco utrudnić tego rodzaju ataki. Wykorzystujemy w tym celu zjawiska kwantowe, a dokładniej kruchość pojedynczych układów kwantowych. Próbę obserwacji takich układów kwantowych da się wykryć po stronie odbiorcy. Gdy ktoś chce przejąć informację, zostawia po sobie ślad. Nie da się dowiedzieć wiele o układzie kwantowym i zarazem pozostawić go w stanie nienaruszonym.
Pozostając przy temacie komputerów kwantowych, już dziś można przewidzieć, że ich możliwości obliczeniowe mogą stanowić potencjalne zagrożenie dla prywatności korespondencji, systemów bankowych, a także kruchej stabilności rynku kryptowalut, pozyskiwanych przecież na drodze obliczeń. Czy świat jest przygotowany na ten przełom technologiczny?
Jeśli chodzi o komputery kwantowe, chciałbym uspokoić – to raczej nie będą urządzenia zdolne rozprawić się z dowolnym wyzwaniem obliczeniowym. Komputery kwantowe mogą być użyteczne w bardzo specjalistycznych zastosowaniach, dla pewnych szczególnych, dobrze określonych problemów, jak łamanie szyfrów opartych na kluczu publicznym. Ponadto należy pamiętać, że układy kwantowe są bardzo wrażliwe. Dlatego wciąż tak trudno jest zbudować użyteczny komputer kwantowy. Niełatwe jest opracowanie algorytmów, które będą wydajnie działały na komputerze kwantowym mimo jego niedoskonałości.
Centrum Optycznych Technologii Kwantowych deklaruje, że dzięki prowadzonym w jego laboratoriach badaniom zyskamy możliwość wykrywania śladowych ilości substancji chemicznych w środowisku. Czy to zapowiedź kwantowych czujników, którymi będzie można badać poziom zanieczyszczenia wody, powietrza, a nawet żywności? I czy będzie to technologia dostępna dla każdego?
Docelowo rozmaite czujniki i inne rozwiązania bazujące na technologiach kwantowych mogą być montowane nawet w smartfonach. Samsung już wprowadził na rynek koreański model telefonu z wbudowanym kwantowym generatorem liczb losowych. Obecnie w codziennym życiu wykorzystujemy pośrednio bardzo różne rodzaje sensorów. Jeśli w diagnostyce medycznej, systemach monitorowania stanu środowiska, jakości powietrza w miastach czy wody w wodociągach, znajdą się czujniki bardziej niż dotąd precyzyjne i niezawodne, oparte na technologiach kwantowych, to w tym sensie technologie te staną się dostępne dla każdego.
QOT prowadzi także badana na polu fizyki optycznej. Zajmują się państwo pracami nad zwiększeniem rozdzielczości w obrazowaniu, ale to nie wszystko. Mówił pan, że badane przez QOT scenariusze obejmują rozmaite układy fizyczne, które dają się przygotowywać, manipulować i mierzyć za pomocą światła. Co to w praktyce może oznaczać?
Bardzo obiecujące są prace nad pamięciami kwantowymi prowadzone przez moich kolegów z QOT, prof. Wojciecha Wasilewskiego i dr. Michała Parniaka. To jest niesłychanie ciekawa fizyka. Jak wiemy, pojedyncze układy fizyczne, jakimi są fotony, są bardzo kruche. Nie da się w pełni poznać stanu jednego fotonu, a potem przygotować drugi taki sam foton, by go przesłać dalej. Pojawił się więc pomysł, by całą zawartość informacyjną fotonu przenieść do innego układu fizycznego, złożonego np. z atomów i go tam przechować – to idea pamięci kwantowych.
Koledzy odnoszą na tym polu niesłychane sukcesy. Skonstruowali prototypowe pamięci kwantowe, których pojemość bije rekordy w skali światowej. Na razie są to układy doświadczalne zajmujące całe laboratorium. Ale to pierwszy krok. W przyszłości pamięci kwantowe mogą umożliwić zupełnie nowe sposoby manipulowania i detekcji sygnałów optycznych.
Rozmawiał Olaf Szewczyk
***
Prof. dr hab. Konrad Banaszek (ur. 1973) jest fizykiem od wielu lat związanym z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Odbył staże podoktorskie na Uniwersytetach w Rochester (Stany Zjednoczone) i w Oksfordzie (Wielka Brytania), po których pracował jako nauczyciel akademicki na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Tematyka jego badań obejmuje optykę kwantową i obecnie żywiołowo rozwijającą się dziedzinę technologii kwantowych, których celem jest praktyczne wykorzystanie zjawisk kwantowych. Poza pracą badawczą pełni także funkcję koordynatora naukowego europejskiej inicjatywy QuantERA skupiającej 38 agencji grantowych z 30 krajów pod przewodnictwem Narodowego Centrum Nauki.
***
Realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej program Międzynarodowe Agendy Badawcze jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego ze środków pochodzących z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.