OLAF SZEWCZYK: – Jedną z najważniejszych naukowych inicjatyw Unii Europejskiej jest Quantum Technologies Flagship, której celem jest zapewnienie Europie roli lidera w drugiej rewolucji kwantowej. Jaką rolę w tej rewolucji może odegrać Polska, w tym prowadzony przez panów profesorów na Uniwersytecie Gdańskim ośrodek ICTQT – Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych?
MAREK ŻUKOWSKI: – Polska odegrała znaczącą rolę w powstaniu Quantum Technologies Flagship. Technologie kwantowe wyrastają z teorii kwantowej informacji, a ta z kolei z badań nad kwantowym splątaniem. W tej dziedzinie polscy naukowcy mają znaczące osiągnięcia, o fundamentalnym znaczeniu. Gdańsk był pierwszym ośrodkiem w Polsce, który podjął systematyczne badania w tej dziedzinie. Przykładowo, Paweł Horodecki jest współautorem najważniejszego dzieła dotyczącego ogólnej teorii splątania kwantowego. Od 1996 r. jest to lektura obowiązkowa dla każdego, kto zajmuje się kwantowym splątaniem. Polscy naukowcy byli też w grupie nacisku, która prosiła Komisję Europejską o powstanie QTF.
Z kolei nasze gdańskie centrum ICTQT jest odpowiedzią na powstanie QTF. Zajmujemy się teorią informacji kwantowej, niektórych kwantowych technologii oraz podstaw mechaniki kwantowej, co jest kontynuacją prac, jakie prowadzimy w Gdańsku już od końca lat 80. Koncentrujemy się na rozwijaniu teorii, ale czasami proponujemy doświadczenia. Mamy w ICTQT grupę, której zadaniem jest produkcja wynalazków w dziedzinie kwantowych technologii. Efektem są patenty.
PAWEŁ HORODECKI: – Wspominając w kontekście historycznym znaczenie ośrodka w Gdańsku, nie można pominąć klasycznej, pionierskiej pracy Marka Żukowskiego, Antona Zeilingera, Michaela Horne’a i Artura Ekerta opublikowanej już w 1993 r., paradygmatycznej dla teorii komunikacji kwantowej, o fundamentalnym znaczeniu dla walki z szumem w projektowanej kwantowej telekomunikacji. To dowód na to, jak szybko Gdańsk stał się jednym z najważniejszych na świecie ośrodków rozwijających teorię kwantowej informacji.
Jakie perspektywy otwiera przed nami druga rewolucja kwantowa?
MŻ: – Pierwsza rewolucja kwantowa wykorzystywała prawa kwantów do uzyskiwania efektów, do których prawa kwantów, paradoksalnie, nie były potrzebne. Na przykład laser można było zbudować, znając tylko teorię kwantów, ale światło lasera to światło najmniej kwantowe, jakie można sobie wyobrazić, bo przypomina promieniowanie radiowe. Z kolei technologie powstające w ramach drugiej rewolucji kwantowej wykorzystują prawa kwantów w działaniu. Przykładem kryptografia kwantowa, teoretycznie nie do złamania – bo złamanie kwantowej kryptografii równałoby się złamaniu praw fizyki. Owocem drugiej rewolucji kwantowej są też generatory liczb prawdziwie losowych. ICTQT ma już zgłoszenie patentowe dotyczące tej technologii. Inny przykład to bardzo czułe kwantowe sensory.
PH: – Warto też wspomnieć komputery kwantowe. Zanim jednak uda się je wprowadzić na rynek – jak wiadomo, problemem jest olbrzymia podatność na zakłócenia – możemy oczekiwać opracowania odpornych na zakłócenia konstrukcji pośrednich. Te uproszczone komputery, choć nie tak wydajne jak uniwersalne komputery kwantowe, będą już wykonywać pewne operacje na danych znacznie szybciej niż komputery tradycyjne.
Czego polscy naukowcy rozwijający teorie i technologie kwantowe potrzebują dziś najbardziej, by w pełni wykorzystać swoje możliwości? Czy oprócz wsparcia, jakiego udziela ICTQT i innym wyróżniającym się ośrodkom naukowym Fundacja na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze, przydatne byłyby też inne rozwiązania strukturalne?
MŻ: – Potrzebujemy długoterminowego wsparcia ze strony polskiego państwa. Instytucja naukowa musi mieć perspektywę działania dłuższą niż, tak jak w naszym przypadku, pięcioletnią, bo tyle zapewnia nam zdobyty grant. Chcemy skupiać się na pracy naukowej, a nie na pogoni za grantami, niepewni, czy naszej działalności nie przerwie jakiś drobny błąd popełniony przy wypełnianiu wniosku.
Marek Kac, słynny polski matematyk probabilista, mówił, że problem naukowy można rozwiązać tylko wtedy, gdy stanie się on obsesją. Z doświadczenia wiem, że to prawda. To jednak wymaga ciągłej koncentracji. Fizyka teoretyczna wymaga olbrzymiego skupienia. Trudno się ją uprawia, siedząc na tykającej bombie zegarowej.
Obaj panowie zajmują się w swych badaniach między innymi stanami splątanymi, fundamentalnymi dla rozwoju przyszłych zaawansowanych technologii kwantowych, w tym kwantowej teleportacji. Dla laika brzmi to niezwykle ciekawie, choć, jak rozumiem, sceny jak ze „Star Treka”, z teleportacją ludzi i przedmiotów, pozostaną w sferze fantastyki naukowej?
MŻ: – Ciekawostka: autorzy pionierskiej pracy o teleportacji kwantowej przyznali, że nazwę wzięli właśnie z serialu „Star Trek”. Co jest jednak istotne, to nigdy nie był – i nie będzie – proces teleportacji materii: ludzi, przedmiotów. Jest to przenoszenie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą – nawet na dużą odległość – za pomocą splątania kwantowego i, co ważne, klasycznej komunikacji. Możemy zatem zapomnieć o pokazanym w „Star Treku” podróżowaniu nadświetlnym, natychmiastowym pojawianiu się w innym miejscu. Jest to proces podświetlny, bo musi być przekazana informacja. Bob musi zadzwonić do Alicji i powiedzieć: wyszło mi to i to. I można w ten sposób przekazać zaledwie kubit – bit kwantowy – góra dwa lub trzy, ale w takim przypadku dużym nakładem sił i z malejącym prawdopodobieństwem sukcesu. Teleportacja kwantowa ma jednak pewne znaczenie dla technologii komputerów kwantowych i komunikacji kwantowej.
PH: – Asher Peres, jeden z odkrywców teleportacji kwantowej, spytany kiedyś przez dziennikarza, czy proces kwantowej teleportacji może teleportować zarówno ciało, jak i duszę, odpowiedział z właściwym sobie poczuciem humoru: „Nie ciało, tylko duszę!”. W tej odpowiedzi była ukryta szalenie głęboka intuicja: sięgający jeszcze Arystotelesa podział na materię i formę. Do pewnego stopnia tym, co Arystoteles uważał za formę substancjalną, w kwantowej teleportacji jest właśnie funkcja stanu.
Skoro mowa o informacji i komunikacji, co sądzą panowie jako fizycy o teorii kwantowej ewolucji prof. Johnjoe McFaddena, który uważa, że świadomość powstaje w polu elektromagnetycznym generowanym przez mózg?
MŻ: – To nie tyle teoria, ile złożona hipoteza. Mniemanologia stosowana. Zauważmy, że nauka idzie drobnymi krokami – Einstein, pracując nad ogólną teorią względności, zajął się tylko grawitacją – natomiast McFadden próbuje od razu wyjaśnić naturę świadomości i działanie mózgu. To nie ma prawa działać.
PH: – Zgadzam się z kolegą, to rzeczywiście eteryczna hipoteza. W szkicowej wersji centralnego rozumowania prof. McFaddena nie dostrzegłem momentu, w którym przekonująco zostałby ujęty fenomen świadomości jako taki. Zresztą może to być zadanie bardzo trudne lub wręcz niewykonalne choćby ze względu na problem z samą definicją świadomości.
Bodaj każdy znaczący polski ośrodek badawczy zajmujący się technologiami kwantowymi skupia uwagę na kryptografii kwantowej. Co na tym polu wyróżnia ICTQT i jakie praktyczne zastosowanie mogą znaleźć wyniki badań prowadzonych przez panów zespołów?
PH: To także jeden z głównych tematów naszych zainteresowań. Zajmujemy się między innymi bardzo obiecującą ideą kryptografii kwantowej niewymagającej znajomości urządzenia. Zgodnie z tą ideą najlepsze byłoby takie urządzenie, do którego nie musielibyśmy w ogóle zaglądać – wiedząc, czy działa bezpiecznie, na podstawie samych wyników, jakie to urządzenie daje. Nazwijmy je urządzeniem autotestującym. Zbudowanie urządzenia w pełni autotestującego jest niezwykle trudne. Można jednak stworzyć urządzenia nieco słabsze, funkcjonujące przy założeniu jedynie niewielkiej wiedzy ze strony użytkownika o ich wnętrzu: na przykład, że fragment urządzenia kontroluje polaryzację fotonu. Tym właśnie zajmujemy się w Gdańsku.
Reasumując, docelowo mówimy o kwantowej kryptografii niezależnej od urządzenia – użytkownik, by korzystać z takiego urządzenia, nie musi wiedzieć, jak działa. Nie musi wiedzieć nic o funkcji falowej, równaniu Schrödingera, spinie, fotonie. Musi tylko wiedzieć, jak wykonać test sprawdzający działanie urządzenia – i jest to test bardzo prosty.
ICTQT współpracuje z Instytutem Optyki Kwantowej i Informatyki Kwantowej IQOQI Austriackiej Akademii Nauk w Wiedniu. Na czym ta współpraca polega?
MŻ: Z ludźmi, którzy stworzyli ten instytut, głównie z Antonem Zeilingerem, współpracuję od 1990 r., kiedy to przyjechałem pierwszy raz do Wiednia. Naukowców z ICTQT i IQOQI łączą od dawna zażyłe relacje, gdy zatem pojawiła się możliwość wzięcia udziału w projekcie Międzynarodowe Agendy Badawcze, decyzja o współpracy między obiema instytucjami wynikła w sposób naturalny. IQOQI pomaga nam, przekazując dobre praktyki w kulturze badań naukowych, na przykład pokazując, jak pokonywać pewne wyzwania w konkursach międzynarodowych. Łączy nas również oczywiście współpraca naukowa. IQOQI jest wobec nas w dużej mierze komplementarny, są tam bowiem dwie silne grupy eksperymentalne. Dzięki przyjacielskim relacjom i wzajemnemu zaufaniu możemy, poza trybem formalnym, zadzwonić do nich i powiedzieć: „Anton, mamy taki a taki pomysł, może zrobicie eksperyment?”. Efektem tego są dobre wyniki naukowe.
Wracając do wcześniejszego pytania o wsparcie, którego potrzebujemy: IQOQI to właśnie taka instytucja, jaką chcielibyśmy być – o stałym finansowaniu, niezależna od grantów. Dobry przykład, jak należy prowadzić badania naukowe.
***
Prof. dr hab. Paweł Horodecki – fizyk teoretyk. Stypendysta Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (1998 r.) i DAAD (1999 r.). Jako nauczyciel akademicki związany z Wydziałem Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej. Obecnie pracuje w Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych jako kierownik Zespołu Nowych Zasobów Kwantowych, gdzie prowadzi m.in. badania nad zastosowaniem kwantowych korelacji i kwantowej losowości do bezpiecznej komunikacji i przetwarzania informacji. Wspólnie z bratem, prof. Michałem Horodeckim, i ojcem, prof. Ryszardem Horodeckim, współtwórca zrębów teorii kwantowego splątania. Współodkrywca kwantowego związanego splątania.
***
Prof. dr hab. Marek Żukowski – członek-korespondent Polskiej Akademii Nauk. W 1987 r. rozpoczął badania dotyczące splątania kwantowego i interferometrii wielofotonowej. W ramach współpracy z Antonem Zeilingerem wielokrotny profesor wizytujący na Uniwersytetach w Innsbrucku i Wiedniu (1991–2018). Najważniejsze wyniki: operacyjna teoria wymiany splątania (1993 r.), wielocząstkowe twierdzenie Bella (2001–2002), propozycje eksperymentów wielofotonowych. Laureat Nagrody FNP oraz Nagrody Copernicus (FNP/DFG). Członek Rady Narodowego Centrum Nauki (2010–2018), redaktor „Physical Review A” (USA, 2016–2019).
***
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.