Polska uczona u progu drugiej rewolucji kwantowej

Opis nowej metody kwantowego sterowania fotonami, opracowanej przez zespół pod kierownictwem dr. hab. Magdaleny Stobińskiej, opublikowany został na łamach prestiżowego czasopisma Physical Review Letters

Czasopismo, które wydawane jest przez American Physical Society (Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne) jest jednym z najbardziej prestiżowych tego typu publikatorów na świecie. Głównym zadaniem Physical Review Letters jest szybkie informowanie o ważnych w skali świata i mogących mieć fundamentalne znaczenie dla rozwoju we wszystkich gałęziach fizyki odkryć. Istotnym elementem prezentowanych projektów jest to, że ich znaczenie wykracza poza ramy wąsko pojętej specjalizacji, i dzięki temu może być interesujące dla szerokiego grona czytelników. Podobny charakter mają również efekty prac dr. hab. Magdaleny Stobińskiej na Uniwersytecie Warszawskim.

Fizyka kwantowa w życiu codziennym
Efekt prac polskiej uczonej pozwolić ma przede wszystkim na przeprowadzenie tzw. drugiej rewolucji kwantowej. Jej najważniejszym elementem ma stać się spowodowanie, że technologie kwantowe znajdą swoje zastosowanie w wielu obszarach codziennego życia. Jest tak dlatego, że wykorzystanie metody kwantowego sterowania cząstkami światła (czyli fotonami) pozwolić może np. na certyfikowanie urządzeń pod kątem bezwarunkowego bezpieczeństwa przesyłania informacji lub użycia ich do obliczeń kwantowych. W ten sposób realne stanie się tworzenie zarówno w 100% niezawodnych systemów bezpieczeństwa informacji, jak też superczułych detektorów chemicznych i biologicznych. Przyspieszone także zostaną procesy generowania kodów losowych, które wykorzystywane są m.in. w sektorze bankowym.

Podstawowe znaczenie ma w tym kontekście wykorzystanie efektów prac Magdaleny Stobińskiej w optyce zintegrowanej. Jest tak z tego względu, że tym, czym w elektronice są układy scalone, tym w optycznych technologiach kwantowych są specjalne chipy fotoniczne zbudowane z falowodów wykonanych w nieliniowych kryształach. Co szczególnie istotne w tym kontekście: umożliwiają one budowanie systemów o nieosiągalnym dotąd stopniu złożoności, miniaturyzacji i kontroli parametrów funkcjonowania. Dlaczego tak jest? Jak wyjaśnia uczona: – 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.

Podstawowym elementem teorii, stworzonej przez zespół Magdaleny Stobińskiej jest nowa metoda kwantowego sterowania fotonami, znacznie łatwiejsza w implementacji niż ta, która dotychczas stosowana jest (od 1964 roku) w laboratoriach na całym świecie. Jak dotąd wykorzystywały one tzw. nierówności Bella. Dzięki projektom prowadzonym pod okiem polskiej uczonej nowa metoda jest o wiele lepiej dostosowana do najbardziej nowoczesnych układów doświadczalnych w laboratoriach optycznych. Z tego względu skuteczniej przyczynić się może ona do lepszego zrozumienia korelacji kwantowego sterowania.

Złapać kota Shrödingera
Magdalena Stobińska prowadzi kolejne projekty badawcze, dzięki którym coraz bardziej możliwe staje się dotarcie do momentu, gdy sterowanie fotonami stanie się nie tylko teorią, ale przede możliwą do stosowania technologią. Ich podstawowym składnikiem jest idea makroskopowej kwantowej superpozycji (MKS). Jaki informuje Narodowe Centrum Nauki, prezentujące projekt „Makroskopowe kwantowe stany światła: teoretyczne i eksperymentalne badanie ich własności”, który prowadzony był pod kierunkiem Magdaleny Stobińskiej na Uniwersytecie Gdańskim:
„Zasada kwantowej superpozycji sprawia, że świat kwantowy jest dużo bardziej złożony niż świat nam dostępny. Zasada ta mówi, że dowolny obiekt może znajdować się jednocześnie w różnych stanach kwantowych, np. atom w dwóch miejscach naraz. Zastosowana do opisu wspólnego stanu kwantowego dwóch lub wielu obiektów, ujawnia istnienie stanów splątanych, klasycznie nieznanych. Idea makroskopowej kwantowej superpozycji i splątania sięga roku 1935, gdy E. Schrödinger sformułował słynny eksperyment myślowy, konfrontujący codzienne doświadczenie z przewidywaniami mechaniki kwantowej. Polegał on na zastosowaniu teorii kwantowej do opisu wspólnego stanu kwantowego obiektu makroskopowego – kota oraz mikroskopowego – atomu radioaktywnego, zamkniętych razem w pudełku uniemożliwiającym ich obserwację. W pudełku znajdowało się również źródło promieniotwórcze oraz detektor promieniowania (np. licznik Geigera-Müllera), który w chwili wykrycia cząstki uwalnia trujący gaz. Prawdopodobieństwo, że cząsteczka trafi w licznik i uwolni truciznę określono jako 50%. Wniosek był zaskakujący: kot był jednocześnie martwy i żywy (kwantowa superpozycja), dopóki nie dokonano obserwacji (otwarto pudełko) i stwierdzono, czy atom rozpadł się i uruchomił mechanizm zabijający kota.”

W ten sposób opisywany eksperyment wykazał fenomen kwantowego splątania. Jego podstawą jest to, że „indywidualny”, kwantowy stan kota (mogący być zarówno żywy, jak i martwy), jak również stan atomu (będącego przed, lub też po rozpadzie) choć przypadkowe, to jednocześnie jednak są ze sobą perfekcyjnie skorelowane. Jest tak dlatego, że albo zarówno atom, jak i kot są „żywe”; lub też atom i kot są „martwe”.
Kluczowym dla tej teorii, a także aktualnie prowadzonych prac w obszarze technologii kwantowych jest odpowiedź na pytanie: „do jakiego stopnia świat makroskopowy spełnia prawa mechaniki kwantowej?” Znalezienie na niego odpowiedzi pozwoli na fundamentalne odkrycie – zarówno w perspektywie naukowej jak i szerszej, związanej z naszym rozumieniem świata – w jaki sposób świat makroskopowy wywodzi się z kwantowego. Umożliwi także tak istotną z punktu widzenia tworzenia technologii opartych na MKS obserwację świata kwantowego z poziomu makroskopowego. Z tych względów jest to tak istotna kwestia w przypadku kolejnych projektów badawczych Magdaleny Stobińskiej.

Światło z grafenem
Praca badawcza na Uniwersytecie Warszawskim nie jest jednym tego typu projektem, realizowanym pod kierunkiem uczonej. W gruncie rzeczy jest ona bezpośrednią kontynuacją projektu europejskiego Marie Curie Career Integration Grant, który prowadzony był na Uniwersytecie Gdańskim w latach 2012-2016. W związku z tym, w obecnie zrealizowanych badaniach, których efekty opublikowane zostały na łamach Physical Review Letters, pracował zespół w którego 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.

Jednocześnie szczególnie ważnym z perspektywy możliwości komercjalizacji uzyskiwanych efektów badań jest grant, który otrzymała w ostatnich miesiącach Magdalena Stobińska w programie FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Jak informuje Fundacja: „Nad stworzeniem nowej uniwersalnej platformy do realizacji technologii kwantowych będzie pracował czteroosobowy zespół, który dzięki grantowi z programu FIRST TEAM założy dr hab. Magdalena Stobińska z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. W badania będzie zaangażowanych ponadto aż trzech partnerów gospodarczych i czterech partnerów naukowych (w tym trzech z zagranicy). Platforma będzie użyta do badania interakcji kwantowego światła z grafenem oraz próby zastosowania go w kwantowej plazmonice.”
W ten sposób rozpoczynany obecnie projekt otworzyć może drogę do rozwoju grafenowej optoelektroniki oraz budowy ultraczułych sensorów chemicznych i biologicznych. Jednocześnie – w jego ramach – zbudowany ma zostać prototyp prostego, niezawodnego kwantowego generatora liczb losowych. Pozwolić on może na poprawę bezpieczeństwa w szerokim zakresie, gdyż liczby losowe niezbędne są np. w protokołach bezpieczeństwa informacji, jak również do tworzenia haseł jednorazowych, autoryzacji transakcji itd.
Jak widać uczona konsekwentnie rozwija i pogłębia prowadzone przez siebie badania. Czy ich efekt pozwoli na przeprowadzenie drugiej rewolucji kwantowej?